Comprehensive Knowledge of C++(V20.05)

autor:ichiroprogrammer

イントロダクション

本ドキュメントは、 C++でのプログラミング、 デザイン、 ソフトウェア開発におけるプロセス、ワークフロー等に対する原理、原則をまとめたものである。

ソフトウェア工学を実践的に学習した者には明らかなように、 ソフトウェア工学はトレードオフを扱う学問である。 従って、後述する、しないにかかわらずソフトウェアの原理、原則は、 常にそれが正しいとは限らず、またそれらが互いに矛盾することもある。 老子の至言「道の道とすべきは、常の道に非ず」のごときものである。

ソフトウェア開発の現場においては、このことを常に念頭に置き、 慎重且つ深い洞察を以って、これらを実践すべきである。

本ドキュメントの目的

「守破離」とは、日本の伝統武道、技芸の修行者が歩むべき習熟モデルである。 「守」、「破」、「離」それぞれが以下のような修行者の習熟レベルと、それに基づいた行動規範を表す。

このドキュメントは、

を目的とする。

本ドキュメントの次に

本ドキュメントを読み、理解したプログラマの次のステップのために、 巻末に「参考文献」を設けた。

それらを読破し、合理的理由でこれらに倣い、もしくは批判できるようになることで、 「守」が終了し、「破」へと進むことができると考えられる。

改訂履歴

本ドキュメントの修正・改善

本ドキュメントをソフトウェア開発のルールとして採用したチームのプログラマにとって、 本ドキュメントは守るべき「形」であるが、「形」であることは不変であることを意味しない。 むしろ、ソフトウェア工学の進歩やチームの習熟に合わせ、その時点で最も正しいであろうルール、 プラクティスを積極的に導入することで、「形」の陳腐化を防ぐべきである。 このことは、スコット・メイヤーズ氏によるEffective C++の第1版から第3版、 およびEffective Modern C++までの変遷を読むことで、より深い理解が得られるはずである。 従って、「破」や「離」のレベルにあるプログラマは、 このドキュメントや、このドキュメントから派生した(もしくは、それとは無関係な) チームのルールの内容を定期的に見直し、より高いレベルへと改善させるよう努めてほしい。

例示したコードの説明

次章以降では、ソースコードを使って説明を行う場合がある。このような場合の注意点を述べる。

アサーションマクロ 意味
ASSERT_TRUE(x) xがtrue
ASSERT_FALSE(x) xがfalse
ASSERT_EQ(x, y) (x == y)がtrue
ASSERT_NE(x, y) (x != y)がtrue
ASSERT_GE(x, y) (x >= y)がtrue
ASSERT_GT(x, y) (x > y)がtrue
ASSERT_LE(x, y) (x <= y)がtrue
ASSERT_LT(x, y) (x < y)がtrue
ASSERT_STREQ(x, y) (std::string(x) == std::string(y))がtrue
ASSERT_DEATH(x, y) xを実行するとアボートすればtrue
ASSERT_THROW(x, y) xを実行するとy例外が発生すればtrue
    TEST(DISABLED_Xxx, yyy)
    {
        // 単体テスト
    }

本ドキュメントでの言葉の使い方の注意

このドキュメントの構成


ソフトウェアプラクティス

ピーター・ドラッカーは「プロフェッショナルの条件」の中で、

    紀元前440年頃、ギリシャ彫刻家フェイディアスはアテネのパンテオンの庇に建つ彫刻郡を完成させたが、
    フェイディアスの仕事の請求書に対して、アテネ会計官は「彫刻の背中は見えない。
    見えない部分まで彫って請求してくるとは何事か」と全額の支払いを拒んだ。フェイディアスは言った。
    「そんなことはない。人々が見えない彫刻の背中は、神々の目が見ている。」

ドラッカーはこの逸話を引用することで、 プロフェッショナルとは外部からの承認や評価を超えて、 自己の内なる基準に忠実であり、 目に見えない部分にも最高の品質を求める人物であるべきだと説明している。 つまり、プロフェッショナルは、自分の仕事に対する誠実さと完璧を追求することによって、 自己の専門性と倫理観を高める人物であるとドラッカーは示している。 この逸話は、プロフェッショナリズムの本質が単に技術的なスキルや知識にあるのではなく、 仕事に対する深い献身と責任感にあることを強調している。

ドラッカーの考えるプロフェッショナルに、 ソフトウェアエンジニアがそのレベルに到達するために重要であると考えられる原則・法則を下記に紹介する。

このドキュメントの構成に戻る。


DRYの原則

DRYとは、“Don’t repeat yourself.”の略であることから推測できるように、 「ソフトウェア開発での繰り返し作業や成果物の重複を避けよ」という原則である。

作業の繰り返し

ソフトウェア開発におけるプログラマのワークフローは下記のようなものである。

ソフトウェア開発において、この流れの繰り返しは避けられないが、 この一連の作業のうち、少なくとも「ソースコードのビルドとデプロイ」と、 「新規ソースコード周辺の回帰テスト」での手作業のほとんどを自動化により回避可能である。

もし、これらにまつわる作業のほとんどが手動で行われていれば、 これらに多くの工数が奪われる。 また、手作業によるミスは避けられず、それによりさらに多くの工数が奪われる。

容易に推測できるように、これらの自動化は絶大な効果を発揮するため、 生産性改善の必須項目となっている(「自動単体テスト」、「自動統合テスト」参照)。

様々な自動化にスクリプト言語の習得が必要ならば、それを良い学習機会と捉えるべきである。 その投資対効果は間違いなく、ポジティブである。

成果物の重複

成果物の重複とは、

等を指す。

成果物の重複の中で最も罪深いものはコードクローンである。コードクローンにより、

等の様々な問題が発生する。また、コードクローンは、コードクローンの原因にもなるため、 これらの問題は時とともに加速度的に大きくなる。

言語仕様に精通し、プログラミングイデオムや、デザインパターンを学び、 その知識を利用して定期的にリファクタリングを行うことでコードクローンの発生は軽減、回避可能である。

KISSの原則

“Keep it simple, stupid!”の頭文字からなる原則であり、意味は読んで字のごとしである。

「フェルマーの最終定理」で有名なフェルマーは友人にあてた手紙の冒頭で、 時間不足のため手紙が長くなることを謝った。 手紙の推敲不足ならば謝罪で十分だろうが、対象が設計ドキュメントや、ソースコードの場合、 謝罪では問題は解決しない。 なぜなら、そのドキュメントやソースコードは次の開発のベースラインとなるからである。

不要な複雑さを持ったそれらは、明日行うかもしれない次の開発を、間違いなく難しくさせる。 この設計上の負債が一定量を上回れば、それ自体が不要な複雑さを増やす原因となり、 問題はさらに複雑になる。

残念ながら、一旦この負のスパイラルに陥ってしまえば、これを止め、逆転させることは極めて困難であり、 スクラッチから作り直すよりも、多くの工数、スキルを要する。

設計ドキュメントや、ソースコードから不要な複雑さを切り捨て、シンプルに保とう。 時間的制約で、すぐにそれに取り掛かれない場合は、成果物にマーキングを行い、 やるべきことを忘れないようにしよう(マーキングキーワードにはTBR(== to be refactored)を推奨)。 時間ができた時には、そのキーワードを検索し、すぐに整理・整頓、リファクタリングに取り掛かろう。 中国のことわざに「双葉のうちに刈らずんば、斧をもちうる」とある。 斧が必要になる前に、必ずその問題を刈り取ろう。

ボーイスカウトの規則

ボーイスカウトの規則の元々の意味は、 「山に行ったときよりも、山から帰るときの方がきれいになるように行動せよ」 というものである。転じて、 「チェックアウトされたソースコードよりも、 コミットされるソースコードの方がきれいになるようにプログラミングせよ」 という意味のソフトウェア開発における規則となった。

この規則を守るために、まずはリポジトリへのコミット前に変更差分の自己レビューを行い、 以下のような不要なコードが残っていないかチェックしよう。

この規則には、もう一点重要な示唆が含まれている。 グローバル変数の多さや、関数の大きさを指摘された時に、「最初から、汚くて...」 というような言い訳をするプログラマは珍しくない。それはおそらく真実であろうが、 それでも、もともと汚かったソースコードをさらに汚してしまったのでは、 問題は大きくなるばかりである。 従って、この規則には「グローバル変数やそれらへのアクセス箇所を増やさない」、 「関数をこれ以上大きくしない」程度の努力は常にするべきである、ということも含まれている。

YAGNIの原則

YAGNI(You ain’t gonna need it)とは、「機能(要件)は実際に必要となるまで実装しない」 という原則である。これは、

といったエクストリームプログラミングのエクスパートたちの主張である。 なお、上記の「単なる思い付きや予想」とは、演繹的推論とは異なる。 演繹的推論により、

というような場合は、この原則の限りではない。

コンウェイの法則」でも述べるように、 「レイヤに水平分割されたパッケージ構造を持つソフトウェア」を、 「各チームや個人がそれぞれのパッケージ開発に責任を持つ組織」が開発を行う場合、 レイヤ毎に開発が進められ、各パッケージの結合は後回しにされる。 そのため、各パッケージの開発者は実際に必要になるかどうか確定しないものを開発することになる。 このスタイルは明らかにYAGNIの原則に違反する。 これが、「各チームや個人がそれぞれのパッケージの開発に責務を持つ組織」 が非効率になってしまう理由の一つである。

Name and Conquer

かつてデカルトは、「困難を分割せよ」といった。 そのままでは複雑すぎて理解不可能な対象物を、分割して理解していく方法は、 現在では「要素還元」や「divide-and-conquer(分割統治)」と呼ばれる。 このdivide-and-conquerは、デカルト以前から、現在に至るまで、そして今後も、 対象物を理解するための極めて有効な手段である。

これと同等に強力な手法がname-and-conquer(命名統治)である。 対象物が適切に命名されてなければ、我々はそれを正確に記憶することが難しい。 正確に記憶できなければ正確に理解できない。 仮に理解できたとしても他者とその理解を共有することは難しい。 一方、それに適切な名前を付けることで、その対象物の理解が始まり、他者との理解の共有が可能となる。 「クラウド・コンピューティング」という命名がその好例である。

以下のような事に気を付け、自分たちが使う概念やソフトウェア構成物に、適切な命名をしよう。

命名規則」に詳細をまとめたので参照してほしい。

ノコギリの刃を研ぐ

まずは、「7つの習慣」 からの引用を紹介する。

    森の中で木を倒そうと、一生懸命ノコギリを挽いている樵(きこり)に出会ったとしよう。
      「何をしているんですか」
    とあなたは訊く。すると
    「見れば分かるだろう」
    と、無愛想な返事が返ってくる。
      「この木を倒そうとしているんだ」
      「すごく疲れているようですが...。いつからやっているんですか」
    あなたは大声で尋ねる。
      「かれこれもう五時間だ。くたくたさ。大変な作業だよ」
      「それじゃ、少し休んで、ついでにそのノコギリの刃を研いだらどうですか。
        そうすれば仕事がもっと早く片付くと思いますけど」
    あなたはアドバイスをする。
      「刃を研いでいる暇なんてないさ。切るだけで精一杯だ」
    と強く言い返す。

残念ながら、ソフトウェア開発現場でも、この滑稽な状況を頻繁に目にする。 このようになりたくなければ、定期的にノコギリの刃を研ぐことである。 そのヒントを下記する。この他にもたくさんあるはずである。

こういったことに何一つ取り掛からないのであれば、「時間がない」とつぶやきながら、 切れないノコギリを挽き続けることになる。

推定有罪

言うまでもなく、推定無罪とは「何人も、有罪を宣告されない限り無罪である」という原則であり、 この順守は近代国家であるための必要条件となっている。 これは人権を守るといった観点のみでなく、 「悪魔の証明」 という言葉で表されるような「多くの場合、無罪の証明は技術的に困難である」 といった観点でも重要な原則である。 我々がそういった原則を順守している国家に属していることは大変結構なことではあるが、 この原則はソフトウェア開発においては当てはまらない。 にもかかわらず、これをソフトウェア開発に持ち込むプログラマがいる。

そういったプログラマの行動パターンは以下のようなものである。

等々挙げればきりがない。 これらの行動は、どの一つをとっても、組織やその組織の成果物を直ちに棄損したと証明することは難しいため、 推定無罪の原則を適用すれば、このプログラマの行動は無罪である。

良識あるプログラマから見れば、明らかに有罪である行動が無罪になる理由は、 その論拠となる原則が間違っているからである。 ソフトウェア開発の現場においては、常に推定有罪「無罪を証明しない限り有罪」の原則が正しい。 とは言え、先に書いたようにそれは「悪魔の証明」をすることになり、実践的には不可能である。

故にソフトウェア開発の現場における推定有罪の原則とは、 「無罪であると演繹推論できるものは無罪という前提の元、無罪を証明しない限り有罪である」 というようなものである。

この観点に従って、上記推定無罪プログラマの行動パターンを矯正すると下記のようになるだろう。

当たり前のことであるが、意外なほど多くのプログラマが出来ていない。

デメテルの法則

最小知識の原則(Principle of Least Knowledge)とも呼ばれ、

という設計上の制約である。

クラスAから生成されたオブジェクトaが、クラスBから生成されたオブジェクトbのメンバ関数 「void* B::f()」を呼び出し、戻りのポインタを何らかの型にキャストして使用するようなコードは、 この法則違反となる。 当然ながら、型付けの厳格なC++の仕様の裏をかくこのような記述は避けなければならない。

オブジェクトaが、オブジェクトbのメンバ関数「C& B::f()」を呼び出すことにより、 クラスCから生成されたオブジェクトcにアクセスし、 そのメンバ関数「C::g()」を呼び出す「a.f().g()」のような多重の呼び出しもこの法則違反となるが、 この例でのクラスCがstd::string constのように状態が不変で安定した仕様を持つならば、 このような多重呼び出しが問題になることは稀である。 一方で、この法則に従うと、クラスBにC::g()のラッパー関数を作ることになるため、 これをプロジェクト全体で守れば、多量のラッパー関数を作らざるを得なくなる。 その結果として、多くのクラスの凝集性(「凝集度」参照)が低下する。

これらを総合して考えると、 上記オブジェクトcが「ミュータブルである」、 もしくは「仕様が流動的である」ときのみにこの法則を適用するべきである。

コンウェイの法則

コンウェイの法則とは、 「システムを設計する組織は、その構造をそっくりまねた構造の設計を生み出してしまう」 現象を説明するものである。

ソフトウェア開発を行う組織は、ドメイン知識に基づいた組織構造 (GUIチーム、ミドルウエアチーム、ドライバチーム等)を持つことが多い。 こういった組織が、コンウェイの法則に陥ってしまうと、

ことになる。これは合理的な組織統治に思えるが、以下のような避けがたい問題を生み出す。

また、このような組織構造は、各チームを担当パッケージの開発に集中させてしまうため、 ソフトウェア全体の開発責務(要件開発責務)の所在があいまいになる。 これにより、以下のような問題も生み出す。

かくして、このような組織は、

これを防ぐためには、「ドメイン知識に基づいた組織構造をそのままソフトウェア開発に持ち込む」 ことをやめなければならない。

Inside-Outの原則

「Inside-Outの原則」というキーワードは「7つの習慣」でも使用されている。 この名著のそれは、 「何らかの問題が起こったときに、それを他責にすることなく(環境や他人の問題)、 まずは自分の管理可能なこと(自分の性格、物事の捉え方、感じ方、動機)に目を向けて対処する」 ことを求める。これは、これで重要な行動規範であるが、 ここで説明する「Inside-Outの原則」はこれとは異なる (もしかすると、「7つの習慣」からの引用かもしれないが)。

この原則は、GUIアプリケーションを「MVC」系のアーキテクチャで開発する場合 (それ以外の方法があるとは思えないが)、 「開発はGUI(View)からではなく、Modelから始めよ」という開発手順への制約である。

ViewはModelの画面への表出であり、Viewを表すためにModelがあるわけではない。 まずはModelの関係性を見極めることは、すぐれたGUIアプリケーション開発の要諦である。

ところが、多くのプログラマはGUIから作りたがる。これがModelに悪影響を与え (もしくは、Viewの中にModelを作りこみ、ViewとModelが癒着した構造を作る)、 容易にデグレードを引き起こす不安定なソフトウェアを作り出す。 このような悪構造は、 「DRYの原則」で述べたような「回帰テストの自動化」もほとんど不可能にさせる。

Modelから開発を始め、それを外部の「回帰テスト用ソフトウェア」から実行できるようにしよう。 その後、それをViewと組み合わせて実行できるようにすれば、 MVCに基づいたアーキテクチャと、 それを自動テストできるソフトウェアを入手できる。

SOLID

SOLIDとは下記に示す5つの原則である。

この5原則はオブジェクト指向(OOD/OOP)プログラミングにおいて特に重要なものであり、 すべてのプログラマはこれらに従って開発することが求められる。

これらの解説は、「プログラミング規約」の説明を行った後、 「デザインパターン」の直前で行う。

プログラミング規約

組織に秩序を与える法、道徳、慣習等をここではルールと呼ぶことにする。 当然ながら、秩序ある組織には良いルールがあり、混沌とした組織には悪いルールがあるか、 ルールはあっても守られていないか、そもそもルールが存在しない。

秩序あるソースコードとは、

のような特性を満たすものであるが、そうあるためには秩序ある組織と同様に良いルールが必要である。 本章の目的は、C++プログラミングにおけるそのようなルール(=プログラミング規約)を示すことである。

なお、型安全性とは、「正しく型付けされたソースコードは未定義動作をしない」 ことが保証されるという言語の特性である。 配列のオーバランが未定義動作を引き起こすことを考えれば明らかである通り、 C++は型安全性を保証しない。このことは、C++の劣等性を意味しないが、 それに配慮したプログラミング(型システムの最大限の利用等)が必要となることは事実である。


この章の構成

   型とインスタンス
    算術型
     整数型
     char型
     std::byte型
     bool型
     浮動小数点型

    enum
    bit field
    class
    struct
    union
    配列
    型エイリアス
    const/constexprインスタンス
    リテラル
     生文字列リテラル

    型推論
     auto

    インスタンスの初期化
    rvalue

   クラスとインスタンス
    ファイルの使用方法
    クラスの規模
     行数
     メンバの数
     凝集度

    アクセスレベルと隠蔽化
    継承/派生
     インターフェースの継承
     多重継承

    非静的なメンバ変数
    静的なメンバ変数/定数の初期化
    mutableなメンバ変数
    スライシング
    オブジェクトの所有権
    オブジェクトのライフタイム

   非メンバ関数/メンバ関数
    非メンバ関数
    メンバ関数
     特殊メンバ関数
     コンストラクタ
     copyコンストラクタ、copy代入演算子
     moveコンストラクタ、move代入演算子
     初期化子リストコンストラクタ
     デストラクタ
     オーバーライド

    非メンバ関数/メンバ関数共通
     サイクロマティック複雑度
     行数
     オーバーロード
     演算子オーバーロード
     実引数/仮引数
     自動変数
     戻り値型
     constexpr関数
     リエントラント性
     エクセプション処理
     ビジーループ

   構文
    複合文
    switch文
    if文
    while文
    範囲for文
    制御文のネスト
    return文
    goto文
    ラムダ式
    マクロの中の文

   演算子
    優先順位
    代入演算
    ビット演算
    論理演算
    条件演算子
    メモリアロケーション
     new
     delete
     メモリ制約が強いシステムでの::operator new

    sizeof
    ポインタ間の演算
    RTTI
    キャスト、暗黙の型変換

   プリプロセッサ命令
    関数型マクロ
    マクロ定数

   パッケージとその構成ファイル
    パッケージの実装と公開
    識別子の宣言、定義
    依存関係
    二重読み込みの防御
    ヘッダファイル内の#include
    #includeするファイルの順番
    #includeで指定するパス名

   スコープ
    スコープの定義と原則
    名前空間
    using宣言/usingディレクティブ
    ADLと名前空間による修飾の省略
    名前空間のエイリアス

   ランタイムの効率
    前置/後置演算子の選択
    operator X、operator x=の選択
    関数の戻り値オブジェクト
    move処理
    std::string vs std::string const& vs std::string_view
    extern template

   標準クラス、関数の使用制限
    STL
     スマートポインタの使用制限
     配列系コンテナクラスの使用制限
     std::stringの使用制限
     std::string_viewの使用制限

    POSIX系関数
     使用禁止関数一覧
     使用禁止関数の理由や注意点
     典型的な注意点

   その他
    assertion
    アセンブラ
    言語拡張機能

   特に重要なプログラミング規約

このドキュメントの構成に戻る。


型とインスタンス

算術型

整数型

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 9

    template <typename DST, typename SRC>
    DST narrow_cast(SRC v)
    {
        static_assert(std::is_integral_v<DST> && std::is_integral_v<DST>,
                      "DST, SRC shoud be integral-type.");
        auto r = static_cast<DST>(v);

        assert((r < 0) == (v < 0));        // 符号が変わっていないことの確認
        assert(static_cast<SRC>(r) == v);  // bit落ちしていないことの確認

        return r;
    }
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 28

    auto ui32 = narrow_cast<uint32_t>(128);                // 安全なint32_t -> uint32_t
    ASSERT_EQ(ui32, 128);                                  //
    ASSERT_DEATH(ui32 = narrow_cast<uint32_t>(-128), "");  // 危険なint32_t -> uint32_t

    auto i8 = narrow_cast<int8_t>(127);                    // 安全なint32_t -> int8_t
    ASSERT_EQ(i8, 127);                                    //
    ASSERT_DEATH(i8 = narrow_cast<int8_t>(128), "");       // 危険なint32_t -> int8_t

    i8 = narrow_cast<int8_t>(-1);                          // 安全なint32_t -> int8_t
    ASSERT_EQ(i8, -1);                                     //
    ASSERT_DEATH(i8 = narrow_cast<int8_t>(-129), "");      // 危険なint32_t -> int8_t

char型

std::byte型

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 50
    // uint8_tのビット演算例

    auto u    = uint8_t{0b1000'0001};
    auto ret0 = u << 1;
    // uint8_t ret1{u << 1};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー
    uint8_t ret1 = u << 1;

    static_assert(std::is_same_v<decltype(ret0), int>);  // u << 1はintになる
    ASSERT_EQ(0b1'0000'0010, ret0);
    ASSERT_EQ(0b0000'0010, ret1);
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 64
    // uint8_tに代わりstd::byteを使用したビット演算例

    auto b    = std::byte{0b1000'0001};
    auto ret0 = b << 1;
    auto ret1 = std::byte{b << 1};

    static_assert(std::is_same_v<decltype(ret0), std::byte>);  // b << 1はstd::byteになる
    ASSERT_EQ(std::byte{0b0000'0010}, ret0);
    ASSERT_EQ(std::byte{0b0000'0010}, ret1);
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 77

    std::byte b0{0b1000'0001};                           // OK
    auto      b1 = std::byte{0b1000'0001};               // OK
    std::byte b2 = static_cast<std::byte>(0b1000'0001);  // NG
    // std::byte b3 = 0b1000'0001;                       // NG コンパイルエラー

bool型

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 95

    #if __cplusplus < 201703L  // 以下のコードはC++14以前ではコンパイルできるが、
                               // C++17以降ではコンパイルエラー

        auto b = false;

        ASSERT_EQ(1, ++b);  // NG 予想通り動作するが、boolの目的外使用
        ASSERT_EQ(1, ++b);  // NG bは2ではなく1
        // ASSERT_EQ(1, --b);  // NG コンパイルエラー
    #endif
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 111

    void g(int32_t* ptr0, int32_t* ptr1) noexcept
    {
        if (ptr0) {  // NG ポインタ型をbool値として使用
            return;
        }

        if (ptr1 == nullptr) {  // OK
            return;
        }

        ...
    }

浮動小数点型

    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 11

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    //  ASSERT_EQ(0.05F, a + b);  // NG  a + b == 0.05Fは一般には成立しない。
    ASSERT_NE(0.05F, a + b);
    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 22

    /// @brief float比較用関数
    bool is_equal_f(float lhs, float rhs) noexcept
    {
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<float>::epsilon();
    }
    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 33

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    // floatの比較はis_equal_fのような関数を使う。
    ASSERT_TRUE(is_equal_f(0.05F, a + b));  // OK
    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 45

    // 上記例と似たソースコードであるが、下記のような問題が起こる
    /// @brief double比較用関数
    bool is_equal_d(double lhs, double rhs) noexcept
    {
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<double>::epsilon();
    }
    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 57

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    // a + bはfloatの精度のまま、is_equal_dの引数の型であるdoubleに昇格される。
    // 一方、0.05はdoubleであるため(循環小数をdoubleの精度で切り捨てた値であるため)、
    // a + b(floatの精度の値)と0.05の差はdoubleのepsilonを超える。
    //  ASSERT_TRUE(is_equal_d(0.05, a + b));  // NG
    ASSERT_FALSE(is_equal_d(0.05, a + b));
    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 71

    // is_equal_dを改良して、引数の型が統一されていない呼び出しをコンパイルエラーにできるようにした。
    /// @brief 浮動小数点比較用関数
    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs) noexcept
    {
        static_assert(std::is_floating_point_v<FLOAT_0>, "FLOAT_0 shoud be float or double.");
        static_assert(std::is_same_v<FLOAT_0, FLOAT_1>, "FLOAT_0 and FLOAT_1 shoud be a same type.");

        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }
    //  example/programming_convention/float_ut.cpp 87

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    // a + bはfloatであり、0.05はdoubleであるため、下記コードはコンパイルできない。
    // ASSERT_TRUE(is_equal(0.05, a + b));
    ASSERT_TRUE(is_equal(0.05F, a + b));  // OK リテラルに型を指定して、引数の型を統一

enum

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 133

    enum CarLight { CL_Red, CL_Yellow, CL_Blue };
    enum WalkerLight { WL_Red, WL_Yellow, WL_Blue };

    bool f(CarLight cl) noexcept
    {
        switch (cl) {
        // 非スコープドenumは下記のようなコードを許容する(if文でも同様)。
        // スコープドenumであればこのような間違いはコンパイルエラーで発見できる。
        case WL_Red:  // CL_Redの間違い?
            ...
            break;
        case CL_Yellow:  // これは正しい
        case CL_Blue:
        default:
            ...
            break;
        }

        ...
    }
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 163

    enum Colour {   // NG スコープドになっていない。
        Red   = 0,  // NG 配列インデックスでない場合、0を定義する必要はない。
        Green = 1,  // NG 連続値を定義する必要はない。
        Blue  = 2
    };

    ...

    enum class Colour {  // OK
        Red,             // OK 不要な記述がない。
        Green,
        Blue
    };
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 185

    enum class Foo { FooA = 0, FooB, FooMAX };

    struct Hoo  // structによるスコーピング
    {
        enum {
            HooA = 0,  // OK
            HooB,      // OK 値は暗黙に定義
            HooMAX     // OK
        };
    };

    void f() noexcept
    {
    //  int32_t a0[Foo::FooMAX];                       // NG コンパイルエラー
        int32_t a1[static_cast<size_t>(Foo::FooMAX)];  // NG castが必要になる
        int32_t a2[Hoo::HooMAX];                       // OK
        ...
    }
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 211

    enum class IncompleteEnum;
    enum class IncompleteEnum2 : uint64_t;

    // このファイルから可視である範囲にIncompleteEnum、IncompleteEnum2の定義はないが、
    // 前方宣言することで以下の関数宣言をすることができる。
    extern void g(IncompleteEnum);
    extern void g(IncompleteEnum2);

bit field

class

struct

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 224

    struct Pod final {                        // NG finalは不要
        Pod()                     = default;  // OK
        ~Pod()                    = default;  // NG = defaultは不要
        Pod(Pod const&)           = delete;   // OK copyを禁止する場合
        Pod operator=(Pod const&) = delete;   // OK copyを禁止する場合

        int32_t x;
        int32_t y;
    };
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 237

    typedef struct {  // NG   無名構造体
        int32_t x;
        int32_t y;
    } StructNG;  // NG   無名構造体をtypedef

    typedef struct StructOK_C_Share {  // Cとシェアする場合OK
        int32_t x;
        int32_t y;
    } StructOK_C_Share;

    struct StructOK {  // OK   Cとシェアしない場合このように書く
        int32_t x;
        int32_t y;
    };

union

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 258

    union XXX_REG {
        uint8_t  bytes[4];
        uint32_t word32;
    };

    uint8_t f() noexcept
    {
        // 0x14000000はハードウェアレジスタのアドレスとする
        auto& XXX_REG_INST = *reinterpret_cast<XXX_REG*>(0x14000000);
        auto  byte_1       = XXX_REG_INST.bytes[1];

        return byte_1;
    }

配列

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 279

    #if 0
        // g++では通常コンパイルエラーとなるが、-fpermissiveを付ければコンパイルできてしまう。
        char a[3]{"abc"};  // NG aはヌル終端されない
    #else
        char a[]{"abc"};  // OK
    #endif

型エイリアス

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 296

    // C90スタイル
    typedef unsigned int uint;                 // NG
    typedef void (*void_func_int32)(int32_t);  // NG

    ...

    // C++11スタイル
    using uint            = unsigned int;       // OK
    using void_func_int32 = void (*)(int32_t);  // OK

    template <class T>  // templateで型エイリアスを作ることもできる。
    using Dict = std::map<std::string, T>;  // OK
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 320

    using pint32_t = int32_t*;  // pint32_tにはconstポインタを代入できない。

    pint32_t const pint32_0_c = nullptr;  // 一見pint32_0_cはconstポインタに見えるが。
    int32_t const* pint32_1_c = nullptr;

    // pint32_0_cの型とpint32_1_cの型が同じであれば問題ないのだが、
    // エイリアスのため結合順が変わった影響でそうはならない。
    // *pint32_0_cはconstではなく、pint32_0_cがconstとなる。
    static_assert(std::is_same_v<decltype(pint32_0_c),  int32_t* const>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(*pint32_0_c), int32_t&>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(pint32_1_c),  int32_t const*>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(*pint32_1_c), int32_t const&>);

const/constexprインスタンス

    //  example/programming_convention/type_const_ut.cpp 13

    // name0は文字列リテラルを指すポインタなのでconstでなければならない。
    char const* name0 = "hoge";

    // name1は文字列リテラルでないのでconstでなくてよい。
    char name1[] = "hoge";

    char const* get_str();
    // 左側のconstはname2の指す先をconstにする。
    // 右側のconstはname2自体をconstにする。
    char const* const name2 = get_str();

    // name2の右辺がリテラルならば、下記のようにするべきである。
    constexpr char const* name3 = "hoge";

    void f(std::vector<int32_t>& vec)
    {
        std::vector<int32_t>::iterator const iter = vec.begin();  // iter自体がconst

        *iter = 10;
        // ++iter;      // 意図的にコンパイルエラー

        std::vector<int32_t>::const_iterator const_iter_0 = vec.begin();   // *const_iter_0がconst
        auto                                 const_iter_1 = vec.cbegin();  // *const_iter_1がconst
        static_assert(std::is_same_v<std::vector<int32_t>::const_iterator, decltype(const_iter_1)>);

        // *const_iter_0 = 10;   // 意図的にコンパイルエラー
        ++const_iter_0;

        // *const_iter_1 = 10;   // 意図的にコンパイルエラー
        ++const_iter_1;

        ...
    }
    //  example/programming_convention/type_const_ut.cpp 52

    const std::string s;  // NG
    std::string const t;  // OK

    const std::string* s_ptr;  // NG
    std::string const* t_ptr;  // OK

    const std::string& f();  // NG 関数の宣言
    std::string const& g();  // OK 関数の宣言

    char        abc[]{"abc"};
    const char* a = abc;  // NG *aはconst
    char const* b = abc;  // OK *aはconst
    char* const c = abc;  // NG *aではなく、aがconstになり、意味が変わる

    const char* const d = abc;  // NG
    char const* const e = abc;  // OK

リテラル

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 343

    int32_t* a{0};        // NG   オールドスタイル
    int32_t* b{NULL};     // NG   C90の書き方
    int32_t* c{nullptr};  // OK   C++11
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 362

    extern int g(long a) noexcept;
    extern int g(int* a) noexcept;

    // NULLを使ったことで、わかりづらいバグが発生する例
    g(NULL);  // NG NULLはポインタではないため、この呼び出しはg(long)を呼び出す
    static_assert(std::is_same_v<long, decltype(NULL)>);

    g(nullptr);  // OK 意図通り、g(int*)を呼び出す。
    static_assert(std::is_same_v<std::nullptr_t, decltype(nullptr)>);
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 384

    auto a = 123'456'789U;       // = 123456789
    auto b = 0x123'456'789U;     // = 0x123456789
    auto c = 0b1001'0001'0101U;  // = 0x915
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 395

    bool a{0};          // NG
    bool b{!0};         // NG
    bool c{false};      // OK
    auto d = bool{0};   // NG
    auto e = bool{!0};  // NG
    auto f = true;      // OK
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 408

    auto a = 432l;  // NG 4321と区別が難しい
    auto b = 432L;  // OK

生文字列リテラル

    //  example/programming_convention/raw_literal_ut.cpp 9

    std::pair<std::string, std::string> url2addr(std::string const& url)
    {
    #if 0  // 正規表現のエスケープ
        std::regex re("^(https?|ftp):\\/\\/([^\\/\\s]+)(\\/.*)?$");
    #else
        std::regex re(R"(^(https?|ftp)://([^/\s]+)(/.*)?$)");  // 生文字リテラル
    #endif
        std::smatch match;

        if (std::regex_search(url, match, re) && match.size() > 3) {
            std::string host = match.str(2);
            std::string path = match.str(3);
            return {host, path};
        }
        else {
            return {"", ""};
        }
    }

    //  example/programming_convention/raw_literal_ut.cpp 33

    std::string const url = "https://www.example.com/path/to/resource";

    auto [host, path] = url2addr(url);
    ASSERT_EQ("www.example.com", host);
    ASSERT_EQ("/path/to/resource", path);

型推論

auto

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 422

    void f(std::vector<std::string> const& strs)
    {
        auto s0 = std::string{"hehe"};  // OK
        auto s1{std::string{"hehe"}};   // OKだが、通常は代入を使用する
        auto s2 = s0;                   // OK
        auto s3 = get_name();           // NG get_name()の戻り値を見ないとs3の型が不明

        for (auto const& str : strs) {  // OK strsの型が明らかであるため、strの型も明らか
            ...
        }
    }
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 442

    class A {
    public:
        A() = default;

    #if 0  // NG この関数を呼び出すとクラッシュ
        std::string const& Get(char first_byte) const noexcept
        {
            static std::string const empty;
            for (auto const str : strs) {       // NG &の付け忘れのため、スタック上の
                if (str.at(0) == first_byte) {  //    オブジェクトのリファレンスをreturnする。
                    return str;
                }
            }
            return empty;
        }

    #else  // OK 上のGetの修正。
        std::string const& Get(char first_byte) const noexcept
        {
            static std::string const empty;
            for (auto const& str : strs) {      // OK &を付けて、インスタンスのオブジェクトの
                if (str.at(0) == first_byte) {  //    リファレンスを返せるようになった。
                    return str;
                }
            }
            return empty;
        }
    #endif

    private:
        std::vector<std::string> strs{"aha", "ihi", "uhu"};
    };
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 493

    auto a = 1;       // OK aの型はint
    auto b(1);        // 別の規制でNG ()より{}を優先的に使うべき
    auto c{1};        // OK cの型はint
    auto d = {1};     // NG dの型はstd::initializer_list<int>
    auto e = {1, 2};  // NG eの型はstd::initializer_list<int>
    auto f = std::initializer_list<int>{1, 2};  // OK

    static_assert(std::is_same_v<decltype(a), int>, "type not same");
    static_assert(std::is_same_v<decltype(b), int>, "type not same");
    static_assert(std::is_same_v<decltype(c), int>, "type not same");
    static_assert(std::is_same_v<decltype(d), std::initializer_list<int>>, "type not same");
    static_assert(std::is_same_v<decltype(e), std::initializer_list<int>>, "type not same");
    static_assert(std::is_same_v<decltype(f), std::initializer_list<int>>, "type not same");
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 515

    short  s0{0};
    short& s0_ref{s0};

    {  // autoとdecltypeが同じ動作をするパターン
        auto a = s0;
        static_assert(std::is_same_v<decltype(a), short>);

        decltype(s0) d = s0;
        static_assert(std::is_same_v<decltype(d), short>);

        decltype(auto) da = s0;
        static_assert(std::is_same_v<decltype(da), short>);
    }
    {  // autoとdecltypeに違いが出るパターン
        auto a = s0_ref;
        static_assert(std::is_same_v<decltype(a), short>);

        decltype(s0_ref) d = s0_ref;  // dはリファレンス
        static_assert(std::is_same_v<decltype(d), short&>);

        decltype(auto) da = s0_ref;  // daはリファレンス
        static_assert(std::is_same_v<decltype(da), short&>);
    }

    short s1{0};
    {  // 微妙な違いで出るパターン
        auto a = s0 + s1;
        static_assert(std::is_same_v<decltype(a), int>);

        decltype(s0) d = s0 + s1;  // これが意図的ならよいが
        static_assert(std::is_same_v<decltype(d), short>);

        decltype(s0 + s1) d2 = s0 + s1;  // int&&にはならない
        static_assert(std::is_same_v<decltype(d2), int>);

        decltype(auto) da = s0 + s1;  // この方がクローンがないため上よりも良い
        static_assert(std::is_same_v<decltype(da), int>);
    }

インスタンスの初期化

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 572

    int32_t a0(0);            // NG
    int32_t a1 = 0;           // NG
    int32_t a2{0};            // OK 一様初期化
    int32_t a3 = {0};         // NG 代入演算子を伴う一様初期化
    auto    a4 = 0;           // OK AAAの場合は一様初期を使わなくても問題ない
    auto    a5 = int32_t{0};  // OK AAA且つ一様初期
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 581

    int32_t& r0(a0);     // NG
    int32_t& r1 = a0;    // OK
    int32_t& r2{a0};     // OK 一様初期化
    int32_t& r3 = {a0};  // NG 代入演算子を伴う一様初期化
    auto&    r4 = a0;  // OK AAAの場合は一様初期を使わなくても問題ないが、&の付け忘れに気を付ける

    int32_t* p0(&a0);     // NG
    int32_t* p1 = &a0;    // OK
    int32_t* p2{&a0};     // OK 一様初期化
    int32_t* p3 = {&a0};  // NG 代入演算子を伴う一様初期化
    auto     p4 = &a0;    // OK AAAの場合は一様初期を使わなくても問題ない
    auto*    p5 = &a0;    // OK AAAの場合は一様初期を使わなくても問題ない
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 609

    // 構造体の初期化
    struct Struct {
        int32_t     a;
        char const* str;
    };

    Struct s0{1, "1"};           // OK 代入演算子を伴わない一様初期化
    Struct s1 = {2, "2"};        // NG 代入演算子による一様初期化
    Struct s2{};                 // OK s2.aは0、s2.strはnullptrに初期化される。
    Struct s3;                   // NG s3は未初期化
    auto   s4 = Struct{1, "1"};  // OK AAAスタイル
    auto   s5 = Struct{};        // OK AAAスタイル

    // クラスの初期化
    std::unique_ptr<Widget> a{std::make_unique<Widget>()};   // OK
    std::unique_ptr<Widget> b(std::make_unique<Widget>());   // NG {}を使うべき
    auto                    c{std::make_unique<Widget>()};   // OK
    auto                    d = std::make_unique<Widget>();  // OK
    // このような場合、重複を避けるため、変数宣言の型はautoが良い

    // std::string、std::string_viewの初期化
    std::string str0{"222"};     // OK
    std::string str1 = {"222"};  // NG = は不要
    std::string str2("222");     // NG {}で初期化できない時のみ、()を使う。
    std::string str3(3, '2');    // OK {}では初期化できない。str3 == "222"
    std::string str4 = "222";    // OK 例外的に認める
    auto        str5 = std::string{"222"};  // OK AAAスタイル

    std::string_view sv0 = "222";                    // OK 例外的に認める
    auto             sv1 = std::string_view{"222"};  // OK AAAスタイル

    // {}、()による初期化の違い
    std::vector<int32_t> vec0_i{1, 2, 3};  // OK vec0_i.size() == 3 && vec0_i[0] == 1 ...
    std::vector<int32_t> vec1_i{10};       // OK vec1_i.size() == 1 && vec1_i[0] == 10
    std::vector<int32_t> vec2_i(10);       // OK vec1_i.size() == 10
    auto                 vec3_i = std::vector{1, 2, 3};  // OK vec0_iと同じ

    std::vector<std::string> vec1_s{10};  // OK vec1_s.size() == 10
    std::vector<std::string> vec2_s(10);  // NG vec2_s.size() == 10  {}を優先するべき
    auto                     vec3_s = std::vector<std::string>{10};  // OK vec1_sと同じ

    // vec1_i、vec2_i、vec1_sの初期化は似ているが、結果は全く異なる。
    // vec1_iは、vector(std::initializer_list<>)を呼び出す。
    // vec2_iは、vector(int)を呼び出す。
    // vec1_sは、vector(int)を呼び出す。

    ASSERT_EQ(3, vec0_i.size());
    ASSERT_EQ(1, vec1_i.size());
    ASSERT_EQ(10, vec2_i.size());
    ASSERT_EQ(vec0_i, vec3_i);
    ASSERT_EQ(10, vec1_s.size());  // vec1_iと同じ形式で初期化したが結果は全く異なる。
    ASSERT_EQ(10, vec2_s.size());
    ASSERT_EQ(10, vec3_s.size());
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 677

    auto  a = 0;
    auto& b = a;

    decltype(a)    c = a;    // OKがautoの方が良い
    decltype(a)    d = {a};  // NG
    decltype(b)    e = a;    // OK
    decltype(auto) f = b;    // OK

    static_assert(std::is_same_v<decltype(c), int>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(d), int>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(e), int&>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(f), int&>);
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 700

    int32_t array0[3]{1, 2, 3};     // OK 代入演算子を伴わない一様初期化
    int32_t array1[3] = {1, 2, 3};  // NG 代入演算子による一様初期化
    int32_t array2[3]{};            // OK 代入演算子を伴わない一様初期化
    int32_t array3[3] = {};         // NG 代入演算子による一様初期化

    char c_str0[]{'1', '2', '\0'};     // OKだが、非推奨
    char c_str1[] = {'1', '2', '\0'};  // NG 代入演算子による一様初期化
    char c_str2[] = {"12"};            // NG 代入演算子による一様初期化
    char c_str3[]{"12"};               // OK
    char c_str4[] = "12";              // OK
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 723

    int32_t*       ptr1 = nullptr;  // OK
    int32_t*       ptr2{nullptr};   // OK
    char const*    pchar0 = 0;      // NG
    char*          pchar1 = NULL;   // NG
    int32_t const* ptr0(nullptr);   // NG {}か=で初期化する
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 735

    constexpr int32_t f_constexpr(int32_t a) noexcept { return a * 3; }
    int32_t           f_normal(int32_t a) noexcept { return a * 3; }
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 743

    constexpr auto a = f_constexpr(3);  // OK
    auto const     b = f_constexpr(3);  // NG constexprにできる
    // constexpr auto c = f_normal(3);  // NG コンパイルエラー
    auto const d = f_normal(3);  // OK
    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 756

    int32_t len{10};  // ここではlenは固定だが、関数引数等で外部から与えられるとする

    auto vc0 = std::vector<int32_t>(len);  // vc0が初期化以外で変更されないのであれば、NG
    std::iota(vc0.begin(), vc0.end(), 1);  // vc0の初期化

    auto const vc1 = [len]() {  // OK vc1の初期化
        std::vector<int32_t> ret(len);
        std::iota(ret.begin(), ret.end(), 1);
        return ret;
    }();  // ラムダ式の生成と呼び出し

rvalue

    //  example/programming_convention/type_ut.cpp 790

    char const* str = std::string{"str"}.c_str();
    // strが指すポインタはこの行では解放済

    ASSERT_STREQ(str, "str");  //    strは無効なポインタを保持であるため、未定義動作

クラスとインスタンス

ファイルの使用方法

クラスの規模

行数

メンバの数

凝集度

アクセスレベルと隠蔽化

    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 12

    class A {
        void f0();  // NG デフォルト private を使用しない。
    public:
        void f1();  // OK
    private:
        void f2();  // OK
    protected:
        void f3();  // NG privateの前に定義すべき。
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 28

    class B {
    public:
        ...

        void* f0() noexcept  // NG メンバ変数が保持するポインタを返している
        {
            return v_ptr_;
        }

        std::string* f1() noexcept  // NG メンバ変数へのポインタを返している
        {
            return &str_;
        }

        std::string& f2() noexcept  // NG メンバ変数へのリファレンスを返している
        {
            return str_;
        }

        std::string f3() const noexcept  // OK ただし、パフォーマンスに注意
        {
            return str_;
        }

        std::string const& f4() const noexcept  // OK
        {
            return str_;
        }

    private:
        void*       v_ptr_ = nullptr;
        std::string str_{};
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 68

    class Integer {
    public:
        Integer(int32_t integer) noexcept : integer_{integer} {}

        // メンバ関数に見えるが、非メンバ関数
        friend bool operator==(Integer lhs, Integer rhs) noexcept  // OK
        {
            return lhs.integer_ == rhs.integer_;
        }

    private:
        int32_t const integer_;
    };

    bool operator!=(Integer lhs, Integer rhs) noexcept { return !(lhs == rhs); }
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 86

    class Widget {
    public:
        virtual int32_t DoSomething() noexcept  // NG virtualでpublic
        {
            ...
        }

        int32_t DoSomething(bool b) noexcept  // OK non-virtualでpublic
        {
            return do_something(b);
        }
        ...
    private:
        virtual int32_t do_something(bool b) noexcept  // OK virtualでprivate
        {
            ...
        }
        ...
    };

継承/派生

    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 124

    // private継承。非推奨
    class StringWrapper0 final : private std::string {
    public:
        explicit StringWrapper0(char const* str) : std::string{str} {}

        void AddStr(char const* str) { *this += str; }

        using std::string::c_str;
    };

    // 移譲。こちらを優先する
    class StringWrapper1 final {
    public:
        explicit StringWrapper1(char const* str) : str_{str} {}

        void AddStr(char const* str) { str_ += str; }

        char const* c_str() const noexcept { return str_.c_str(); }

    private:
        std::string str_;
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 149

    class A {  // デストラクタの呼び出しチェック用のクラス
    public:
        A(bool& destructed) noexcept : destructed_{destructed} { destructed_ = false; }
        ~A() { destructed_ = true; }

    private:
        bool& destructed_;
    };

    class BaseNG {  // NG デストラクタが非virtual
    public:
        BaseNG() = default;
    };

    class DerivedNG : public BaseNG {
    public:
        DerivedNG(bool& destructed) : a_{std::make_unique<A>(destructed)} {}

    private:
        std::unique_ptr<A> a_;
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 183

    auto a_destructed = false;
    {
        std::unique_ptr<DerivedNG> d{std::make_unique<DerivedNG>(a_destructed)};
        ASSERT_FALSE(a_destructed);
    }
    ASSERT_TRUE(a_destructed);  // OK A::~A()が呼ばれたため問題ないが、、、

    {
        std::unique_ptr<BaseNG> d{std::make_unique<DerivedNG>(a_destructed)};
        ASSERT_FALSE(a_destructed);
    }
    ASSERT_FALSE(a_destructed);  // NG A::~A()が呼ばれないため、メモリリークする
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 201

    class BaseOK {  // OK デストラクタがvirtual
    public:
        BaseOK()          = default;
        virtual ~BaseOK() = default;
    };

    class DerivedOK : public BaseOK {
    public:
        DerivedOK(bool& destructed) : a_{std::make_unique<A>(destructed)} {}

    private:
        std::unique_ptr<A> a_;
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 221

    auto a_destructed = false;
    {
        std::unique_ptr<DerivedOK> d{std::make_unique<DerivedOK>(a_destructed)};
        ASSERT_FALSE(a_destructed);
    }
    ASSERT_TRUE(a_destructed);  // OK A::~A()が呼ばれたため問題ない

    {
        std::unique_ptr<BaseOK> d{std::make_unique<DerivedOK>(a_destructed)};
        ASSERT_FALSE(a_destructed);
    }
    ASSERT_TRUE(a_destructed);  // OK A::~A()が呼ばれたため問題ない

インターフェースの継承

多重継承

非静的なメンバ変数

    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 257

    class A1 {
    public:
        A1() noexcept {}  // OK NSDMIに統一

    private:
        int32_t const a_{1};  // OK NSDMIによる初期化。
                              //    ただし、static constexprにすべき。
        int32_t b_[2]{0, 1};  // OK NSDMIによる初期化
        int32_t c_{5};        // OK NSDMIによる初期化
    };

    class A2 {
    public:
        explicit A2(int a) noexcept   // OK 初期化子リストに統一
            : a_{a}, b_{0, 1}, c_{5}  // OK 初期化子リストによる初期化
        {
        }

    private:
        int32_t const a_;
        int32_t       b_[2];
        int32_t       c_;
    };

    class A3 {
    public:
        explicit A3(int a) noexcept : a_{a}  // NG 初期化方法の混在
        {
            c_ = 5;  // NG NSDMIか初期化子リストを使用するべき
        }

    private:
        int32_t const a_;
        int32_t       b_[2]{0, 1};  // NG 初期化方法の混在
        int32_t       c_;
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 297

    class A4 {
    public:
        A4() noexcept {}  // OK

        A4(int32_t e) noexcept : e_{e} {}  // OK 初期化子リストによるe_の上書き
        // 注) A4()とA4(int32_t)はデフォルト引数を使用すれば統一できるが、
        // 例の単純化のためにあえてそれぞれを定義している。

    private:
        int32_t d_{5};  // OK NSDMIによる初期化
        int32_t e_{0};  // OK NSDMIによる初期化
    };

静的なメンバ変数/定数の初期化

    //  example/programming_convention/class.h 5

    class StaticConstexprVar {
    public:
        StaticConstexprVar() = default;

        uint32_t MultiplyBy2(uint32_t a) noexcept;
        uint32_t MultiplyBy3(uint32_t a) noexcept { return static_constexpr_var_3 * a; }
        uint32_t MultiplyBy4(uint32_t a) noexcept;

    private:
        static constexpr uint32_t static_constexpr_var_2{2};  // NG クラス内で定義する必要なし
        static constexpr uint32_t static_constexpr_var_3{3};  // OK クラス内で定義する必要あり
    };
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 317
    //
    uint32_t StaticConstexprVar::MultiplyBy2(uint32_t a) noexcept { return static_constexpr_var_2 * a; }

    namespace {
    constexpr uint32_t static_constexpr_var_4{4};  // OK クラス内で定義する必要なし
    }

    uint32_t StaticConstexprVar::MultiplyBy4(uint32_t a) noexcept { return static_constexpr_var_4 * a; }

mutableなメンバ変数

    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 331

    class A {
    public:
        A() = default;

        uint32_t GetValue() const  // OK GetValue()をconstにするためにmutex_はmutable
        {
            auto lock = std::lock_guard{mutex_};  // constでない関数std::mutex::lock()の呼び出し

            return v_;
        }

        void AddValue(uint32_t v) noexcept
        {
            auto lock = std::lock_guard{mutex_};

            v_ += v;
        }

    private:
        mutable std::mutex mutex_;  // OK
        uint32_t           v_{0};
    };

スライシング

オブジェクトの所有権

オブジェクトのライフタイム

    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 385

    // 初期化前にオブジェクトにアクセスしてしまう例
    B& getB() noexcept;

    // bが初期される前に(ライフタイム開始前)に、a.A::A()が呼び出される。
    // a.A::A()が呼び出される前に、getB()が呼び出される。
    // 従って、bが初期化される前にgetB()が未初期化のbのリファレンスを返してしまう。
    A a{getB()};

    B  b;
    B& getB() noexcept { return b; }
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 401

    // ライフタイムが終了したオブジェクトにアクセスしてしまう例
    auto a = A{};
    {
        auto b = B{};
        a.SetB(&b);  // NG aのメンバ変数へ&bを代入。
    }                //    この行でbのライフタイム終了。

    a.DoSomething();  // NG bのポインタを使用して何かすると不定動作。
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 434

    void f0(E&) noexcept;
    void f1(E const&) noexcept;
    void f2(E &&) noexcept;

    // f0(E{});  NG ほとんどのコンパイラではエラー
    f1(E{});  // OK rvalueはconstリファレンスにバインド可
    f2(E{});  // OK rvalueはrvalueリファレンス

    E const& e0 = E{"4"};  // NG rvalueを引数以外のconstリファレンスに代入
    E&&      e1 = E{"5"};  // NG rvalueを引数以外のrvalueリファレンスに代入

非メンバ関数/メンバ関数

非メンバ関数

メンバ関数

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 21

    class A {
    public:
        A() : s_ptr_{std::make_unique<std::string>("haha")}, s_inst_{"hihi"} {}

        std::string const& GetString() const noexcept  // OK 必ずconst
        {
            return s_inst_;
        }

        // SetPtrと、SetInstは実質的には同じことを行っている。
        // SetInstはconstと宣言できない(コンパイルエラー)。
        // 従ってSetPtrもconstと宣言してはならない。
        // なお、この問題はstd::experimental::propagate_constを使用することで解決できるが、
        // 名前空間からわかるように、このライブラリが将来にわたって有効かどうかは不明である。
        void SetPtr(std::string_view name) const  // NG このconstはつけてはならない。
        {
            *s_ptr_ = name;
        }

        void SetInst(std::string_view name)  // OK
        {
            s_inst_ = name;
        }

    private:
        std::unique_ptr<std::string> s_ptr_;
        std::string                  s_inst_;
    };

    void f()
    {
        A const a;

        a.SetPtr("0");  // constオブジェクトaを変更できてしまう。
    //  a.SetInst("1"); // constオブジェクトaを変更しようとしたため、
                        // 正しく(constの目的通り)コンパイルエラー。
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 64

    class B {
    public:
        B() noexcept {}

        // GetStringsは、避けがたい理由で、strings_のリファレンスを返さざるを得ないとする。
        // この場合、GetStringsはconstにしてはならない。
        std::vector<std::string>& GetStrings() noexcept { return strings_; }

    private:
        std::vector<std::string> strings_{};
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 84

    char const* s = std::string{"hehe"}.c_str();  // std::string{"hehe"}はrvalue

    std::cout << s << std::endl;  // この時点ではsは解放されている。

特殊メンバ関数

コンパイラ生成関数を 定義方法
使用する = default
使用しない = delete、もしくは自分で実装
    //  example/programming_convention/class_ut.cpp 452

    /// @brief クラスのひな形。クラスを定義、宣言するときには、このクラスの下記6関数を適切に
    ///        定義、宣言すること。
    class ClassStationery final {
    public:
        ClassStationery()  = delete;
        ~ClassStationery() = delete;

        ClassStationery(ClassStationery const&)                = delete;
        ClassStationery& operator=(ClassStationery const&)     = delete;
        ClassStationery(ClassStationery&&) noexcept            = delete;
        ClassStationery& operator=(ClassStationery&&) noexcept = delete;
    };

コンストラクタ

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 97

    class Base {
    public:
        Base(std::ostream& os) : os_{os} { os_ << Name() << "::" << __func__ << " -> "; }

        virtual ~Base() { os_ << Name() << "::" << __func__; }

        virtual std::string_view Name() const { return "Base"; }

    protected:
        std::ostream& os_;  // protectedなメンバ変数を定義すべきではないが、コードの動作例示のため
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        Derived(std::ostream& os) : Base{os} { os_ << Name() << "::" << __func__ << " -> "; }

        virtual ~Derived() { os_ << Name() << "::" << __func__ << " -> "; }

        virtual std::string_view Name() const override { return "Derived"; }
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 124

    auto oss = std::ostringstream{};

    {
        auto d = Derived{oss};
    }

    ASSERT_EQ("Base::Base -> Derived::Derived -> Derived::~Derived -> Base::~Base", oss.str());
    // つまり、
    // * Base::Base()でのName()の呼び出しは、Derived::Name()ではなくBase::Name()が呼ばれる。
    // * Base::~Base()でのName()の呼び出しは、Derived::Name()ではなくDerived::Name()が呼ばれる。
    // * Derived::~Derived()でのName()の呼び出しは、Derived::Name()ではなくDerived::Name()が呼ばれる。
    // * Base::~Base()でのName()の呼び出しは、Derived::Name()ではなくBase::Name()が呼ばれる。
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 147

    class A0 {
    public:
        // NG int32_tからA0への暗黙の型変換が起こる。
        A0(int32_t a) noexcept : a_{a} {}
        ...
    };

    class A1 {
    public:
        // OK int32_tからA1への暗黙の型変換をさせない。
        explicit A1(int32_t a) noexcept : a_{a} {}
        ...
    };

    class A2 {
    public:
        // NG 代入演算子でのリスト初期化ができてしまう。
        A2(int32_t a, int32_t* b) noexcept : a_{a}, b_{b} {}
        ...
    };

    class A3 {
    public:
        // OK 代入演算子でのリスト初期化をさせない。
        explicit A3(int32_t a, int32_t* b) noexcept : a_{a}, b_{b} {}
        ...
    };

    void f_A0(A0) noexcept {}
    void f_A1(A1) noexcept {}
    void f_A2(A2) noexcept {}
    void f_A3(A3) noexcept {}
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 201

    A0 a0 = 1;           // NG 1からA0への暗黙の型変換。
                         //    このような変換はセマンティクス的不整合につながる場合がある
    // A1 a1 = 1;        // OK explicitの効果で、意図通りコンパイルエラー

    f_A0(1);             // NG 1からA0への暗黙の型変換のためf_A0が呼び出せてしまう
    // f_A1(1);          // OK explicitの効果で、意図通り以下のようなコンパイルエラー
                         //    error: could not convert ‘1’ from ‘int’ to ‘A1’
    f_A1(A1{1});         // OK f_A1の呼び出し

    auto i = 3;
    A2  a2 = {i, &i};    // NG 代入演算子でのリスト初期化をしている

    // A3 a3 = { i, &i };// OK explicitの効果で、意図通りコンパイルエラー
    A3 a3{i, &i};        // OK リスト初期化
    auto a4 = A3{i, &i}; // OK AAA

    f_A2({i, &i});       // NG { i, &i }からA2への暗黙の型変換のためf_A2が呼び出せてしまう
    // f_A3({i, &i});    // OK explicitの効果で、意図通り以下のようなコンパイルエラー
                         //    error: converting to A3 from initializer list would use explicit 
                         //           constructor A3::A3(int32_t, int32_t*)’
    f_A3(A3{i, &i});     // OK f_A3の呼び出し

copyコンストラクタ、copy代入演算子

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 236

    class Widget {
    public:
        Widget& operator=(Widget const& rhs)  // NG lvalue修飾無し
        {
            // 何らかの処理
            return *this;
        }

        Widget& operator=(Widget&& rhs) noexcept  // NG lvalue修飾無し
        {
            // 何らかの処理
            return *this;
        }
        ...
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 265

    Widget w0{1};
    Widget w1{2};

    w0 = w1;         // これには問題ない
    w1 = Widget{3};  // これにも問題ない

    Widget{2} = w0;  // NG lvalue修飾無しのcopy代入演算子であるため、コンパイルできる
    Widget{3} = Widget{4};  // NG lvalue修飾無しのmove代入演算子であるため、コンパイルできる
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 284

    class Widget {  // 上記の修正
    public:
        Widget& operator=(Widget const& rhs) &  // OK lvalue修飾
        {
            // 何らかの処理
            return *this;
        }

        Widget& operator=(Widget&& rhs) & noexcept  // OK lvalue修飾
        {
            // 何らかの処理
            return *this;
        }
        ...
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 313

    Widget w0{1};
    Widget w1{2};

    // Widget{2} = w0;          lvalue修飾の効果でコンパイルエラー
    // Widget{3} = Widget{4};   lvalue修飾の効果でコンパイルエラー

moveコンストラクタ、move代入演算子

初期化子リストコンストラクタ

デストラクタ

オーバーライド

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 331

    class Base {
    public:
        virtual ~Base();                   // OK
        virtual void f(int32_t) noexcept;  // OK
        virtual void g() noexcept;         // OK
    };

    // Derived_0::fは、Base::fのオーバーライドのつもりであったが、タイポのため新たな関数の宣言、
    // 定義になってしまった。この手のミスは、自分で気づくのは難しい
    class Derived_0 : public Base {
    public:
        virtual ~Derived_0();               // NG overrideが必要
        virtual void f(uint32_t) noexcept;  // NG Derived_0:fはBase:fのオーバーライドではない
        virtual void g() noexcept override;  // OK
    };

    class Derived_1 : public Base {
    public:
        // NG 下記が必要
        // virtual ~Derived_1() override;
        virtual void f(uint32_t) override;  // OK overrideと書いたことで、
                                            //    コンパイルできないため、タイポに気づく
    };

    class Derived_2 : public Base {
    public:
        virtual ~Derived_2() override;                    // OK Derived_2はfinalではない
        virtual void f(int32_t) noexcept override final;  // NG overrideは不要
        virtual void g() noexcept final;  // OK これ以上オーバーライドしない
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 370

    class Base {
    public:
        virtual int32_t GetArg(int32_t a = 0) const noexcept { return a; }
        ...
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        // NG Base::GetArgのデフォルト引数と違う
        virtual int32_t GetArg(int32_t a = 1) const noexcept override { return a; }

        ...
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 394

    auto  d = Derived{};
    Base& b{d};

    // 同じオブジェクトであるにもかかわらず、その表層型でデフォルト引数の値が変わってしまう。
    ASSERT_EQ(0, b.GetArg());
    ASSERT_EQ(1, d.GetArg());

非メンバ関数/メンバ関数共通

サイクロマティック複雑度

行数

    約 40 行を関数の上限にすればよい。 
    私自身は、もっと小さい平均 7 行程度を理想としている。 

オーバーロード

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 408

    // NGな例
    class Base {
    public:
        virtual ~Base() = default;
        void f() noexcept
        {
            ...
        }
    };

    class DerivedNG : public Base {
    public:
        void f(int32_t a) noexcept  // NG DerivedNG::f(int32_t)がBase::fを隠す(可視範囲の縮小)
        {
            ...
        }
    };

    void f() noexcept
    {
        auto d = DerivedNG{};

        d.f(0);
    #if 0
        d.f(); // NG DerivedNG::f(int32_t)がBase::fを隠す(可視範囲の縮小)ためコンパイルエラー
    #endif
    }

    // DerivedNGの修正
    class DerivedOK : public Base {
    public:
        void f(int32_t a) noexcept
        {
            ...
        }
        using Base::f;  // OK Base::fをDerivedOKに導入。
    };

    void g() noexcept
    {
        auto d = DerivedOK{};

        d.f(0);
        d.f();  // OK usingにより、Base::fが見える
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 465

    int32_t f(int32_t) { return 0; }
    int32_t f(int16_t) { return 1; }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 473

    auto i16 = int16_t{1};

    ASSERT_EQ(1, f(i16));        // f(int16_t)が呼ばれる
    ASSERT_EQ(0, f(i16 + i16));  // f(int32_t)が呼ばれる
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 485

    // 実引数がdoubleを認めないパターン
    int32_t f0(double) = delete;
    int32_t f0(int32_t a) noexcept { return a / 2; }

    // 実引数がint32_t以外を認めないパターン
    template <typename T>
    int32_t f1(T) = delete;
    int32_t f1(int32_t a) noexcept { return a / 2; }

    // 実引数がunsigned以外を認めないパターン
    template <typename T, std::enable_if_t<!std::is_unsigned_v<T>>* = nullptr>  // C++17スタイル
    uint64_t f2(T) = delete;

    template <typename T, std::enable_if_t<std::is_unsigned_v<T>>* = nullptr>  // C++17スタイル
    uint64_t f2(T t) noexcept
    {
        uint64_t f2_impl(uint64_t) noexcept;

        // Tがsignedで、tが-1のような値の場合、f2_impl(uint64_t)の呼び出しによる算術変換により、
        // tは巨大な値に変換されるが、
        // Tがunsignedならば、f2_impl(uint64_t)の呼び出しによる算術変換は安全

        return f2_impl(t);
    }

    template <typename T>
    uint64_t f3(T) = delete;

    template <std::unsigned_integral T>  // C++20スタイル
    uint64_t f3(T t) noexcept
    {
        uint64_t ret = t;
        // 何らかの処理

        return ret;
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 527

    char     c{'c'};
    int8_t   i8{1};
    int32_t  i32{1};
    uint32_t ui32{1};
    uint64_t ui64{1};
    double   d{1.0};

    f0(c);
    f0(i8);
    f0(i32);
    // f0(d);    呼び出そうとしたf0(double)はdeleteされているので意図通りエラー

    f1(i32);
    // f1(u32);  呼び出そうとしたf1<uint32_t>(uint32_t)はdeleteされているので意図通りエラー

    f2(ui32);
    f2(ui64);
    // f2(c);    呼び出そうとしたf2<char>(char)はdeleteされているので意図通りエラー
    // f2(i32);  呼び出そうとしたf2<int32_t>(int32_t)はdeleteされているので意図通りエラー
    // f3(i8);   呼び出そうとしたf3<int8_t>(int8_t)はdeleteされているので意図通りエラー
    f3(ui32);

演算子オーバーロード

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 558

    class A0 {
    public:
        operator bool() const noexcept  // NG intへの型変換が可能
        {
            return state_;
        }

    private:
        bool state_{true};
    };

    class A1 {
    public:
        explicit operator bool() const noexcept  // OK explicitすることで誤使用を避ける。
        {
            return state_;
        }

    private:
        bool state_{true};
    };

    void f()
    {
        auto a0 = A0{};
        auto a1 = A1{};

        std::cout << a0 + 1;  // NG コンパイルできてしまう。
    #if 0
        std::cout << a1 + 1;  // OK 意図通りコンパイルエラー
    #endif

        ...
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 597

    class Integer {
    public:
        Integer(int32_t integer) noexcept
            : integer_{integer} {}  // int32_tの暗黙の型変換が必要なのでexplicitしない

        // copyコンストラクタ、copy代入演算子の定義
        Integer(Integer const&)            = default;
        Integer& operator=(Integer const&) = default;

        friend bool operator==(Integer lhs, Integer rhs) noexcept
        {
            return lhs.integer_ == rhs.integer_;
        }

        Integer& operator+=(Integer rhs) noexcept
        {
            integer_ += rhs.integer_;
            return *this;
        }

    private:
        int32_t integer_;
    };

    inline bool operator!=(Integer lhs, Integer rhs) noexcept
    {
        return !(lhs == rhs);  // operator==の活用
    }

    inline Integer operator+(Integer lhs, Integer rhs) noexcept
    {
        lhs += rhs;  // operator+=の活用
        return lhs;
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 639

    constexpr int32_t one_km{1000};

    // ユーザ定義リテラル演算子の定義
    constexpr int32_t operator""_kilo_meter(unsigned long long num_by_mk)  // OK
    {
        return num_by_mk * one_km;
    }

    constexpr int32_t operator"" km(unsigned long long num_by_mk)  // NG STDでリザーブ
    {
        return num_by_mk * one_km;
    }

    constexpr int32_t operator""_meter(unsigned long long num_by_m)  // OK
    {
        return num_by_m;
    }

    constexpr int32_t operator""_m(unsigned long long num_by_m)  // NG 短すぎる
    {
        return num_by_m;
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 667

    auto km = int32_t{3_kilo_meter};  // ユーザ定義リテラル演算子の利用
    auto m  = int32_t{3000_meter};    // ユーザ定義リテラル演算子の利用

    ASSERT_EQ(m, km);

実引数/仮引数

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 685

    void f(int32_t a, enum EnumArg b, NotSmall const& c, Small d, NotSmall const* e) noexcept
    {
        // a : 基本型
        // b : enum
        // c : サイズが小さくないオブジェクトで、nullptrでないことが前提
        // d : サイズ小さいオブジェクト
        // e : サイズが小さくないオブジェクトを指すが、nullptrである場合も処理の対象

        if (e == nullptr) {
            ...
        }
        else {
            ...
        }

        ...
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 709

    class A {
    public:
        int32_t f0() noexcept { return a_++; }

        int32_t f1() noexcept { return a_--; }
        ...
    };

    void f(int32_t a0, int32_t a1) noexcept
    {
        ...
    }

    void g(A& a) noexcept
    {
        f(a.f0(), a.f1());  // NG f0()、f1()が呼ばれる順番は未定義。

        auto a0 = a.f0();
        auto a1 = a.f1();
        f(a0, a1);          // OK f0()はf1()よりも先に呼ばれる。
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 742

    class B {
    public:
        B(A const& rhs);
        B& operator=(A const& rhs);

    private:
        int32_t b_{0};

        friend bool operator==(B const& lhs, B const& rhs) noexcept { return lhs.b_ == rhs.b_; }
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 758

    class C {
    public:
        void SetValue(int32_t number_of_peaple);  // OK
    //  void SetValue(int32_t);                   // NG 仮引数名を書く
        void SetValue(D const& d);                // OK
    //  void SetValue(D const&);                  // NG 仮引数名を書く
    //  int32_t GetValue(void) const;             // NG void不要
        int32_t GetValue() const;                 // OK
    };

    extern "C" int32_t XxxGetValue(void);  // OK Cからリンクされる
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 781

    class Base {
    public:
        Base(char const* name) noexcept : name0_{name} {}
        char const* Name0() const noexcept { return name0_; }

        ...
    private:
        char const* name0_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        Derived(char const* name0, char const* name1) noexcept : Base{name0}, name1_{name1} {}
        char const* Name1() const noexcept { return name1_; }

        ...
    private:
        char const* name1_;
    };

    std::vector<std::string> f(Base const* array, uint32_t n)  // NG 誤用しやすいシグネチャ
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{n};

        std::transform(array, array + n, ret.begin(), [](Base const& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }

    std::vector<std::string> g(Base const array[10], uint32_t n)  // NG 誤用しやすいシグネチャ
    {
        // str_arrayは一見、配列に見えるが、実際はポインタであるため、
        // この関数のシグネチャはf(Base const* str_array, uint32_t n)と同じ。
        // 配列の長さに見える10はシンタックス上の意味を持たない。
        auto ret = std::vector<std::string>{n};

        std::transform(array, array + n, ret.begin(), [](Base const& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 836

    Base    b[]{"0", "0"};
    Derived d[]{{"0", "1"}, {"2", "3"}};

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "0"}), f(b, array_length(b)));  // OK これは良いが
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "0"}), g(b, array_length(b)));  // OK これは良いが

    // 本来なら、下記のようになるべきだが、
    // ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "2"}), f(d, array_length(d)));  // NG
    // ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "2"}), g(d, array_length(d)));  // NG

    // レイアウトずれにより、下記のようになる
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "1"}), f(d, array_length(d)));  // NG
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "1"}), g(d, array_length(d)));  // NG
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 856

    // ポインタではなく、配列へのリファレンスを使用することで、
    // 上記のようなバグを避けることができる

    std::vector<std::string> f_ref_2(Base const (&array)[2])  // OK 配列へのリファレンス
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{array_length(array)};

        // arrayの型はポインタではなく、リファレンスなのでstd::endが使える
        std::transform(array, std::end(array), ret.begin(),
                       [](Base const& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }

    template <size_t N>                                       // 配列の長さの型はsize_t
    std::vector<std::string> f_ref_n(Base const (&array)[N])  // OK 配列へのリファレンス
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{N};

        std::transform(array, std::end(array), ret.begin(), [](auto& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }

    template <typename T, size_t N>                      // 配列の長さの型はsize_t
    std::vector<std::string> g_ref(T const (&array)[N])  // OK 配列へのリファレンス
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{N};

        std::transform(array, std::end(array), ret.begin(), [](auto& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }

    template <typename T, size_t N>  // std::arrayの第2パラメータの型はsize_t
    std::vector<std::string> h_ref(std::array<T, N> const& array)  // OK std::arrayへのリファレンス
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{N};

        std::transform(std::begin(array), std::end(array), ret.begin(),
                       [](auto& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }

    // NULLを渡す必要がある場合、配列へのリファレンスの代わりに、
    // 配列へのポインタを使うことができる
    template <typename T, uint32_t N>
    std::vector<std::string> g_ptr(T const (*array)[N])  // OK
    {
        if (array == nullptr) {
            return std::vector<std::string>{};
        }

        auto ret = std::vector<std::string>{N};

        std::transform(*array, std::end(*array), ret.begin(),
                       [](auto& b) noexcept { return b.Name0(); });

        return ret;
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 925
    Base    b[]{"0", "0"};
    Derived d[]{{"0", "1"}, {"2", "3"}};
    auto    d2 = std::array<Derived, 2>{Derived{"0", "1"}, Derived{"2", "3"}};

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "0"}), f_ref_2(b));  // OK
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "0"}), f_ref_n(b));  // OK
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "0"}), g_ref(b));    // OK

    // ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "2"}), f_ref_2(d));  OK 誤用なのでコンパイルエラー
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "2"}), g_ref(d));   // OK
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "2"}), h_ref(d2));  // OK

    // 配列へのポインタを使う場合
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"0", "0"}), g_ptr(&b));  // OK

    Derived(*d_null)[3]{nullptr};
    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{}), g_ptr(d_null));  // OK
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 946

    int32_t default_arg{0};
    int32_t get_default_arg(int32_t a = default_arg) noexcept { return a; }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 955

    ASSERT_EQ(0, get_default_arg());  // default_arg == 0

    default_arg = 2;

    ASSERT_EQ(2, get_default_arg());  // default_arg == 2
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 967

    void f0(std::unique_ptr<std::string> const& str)  // NG *strは書き換え可能
    {
        *str = "it can be changed";

    #if 0  // strはconstなので以下はできない
        str = std::make_unique<std::string>("haha");
    #endif
    }

    void f1(std::string& str)  // OK
    {
        str = "it can be changed";
    }

    void f2(std::string const& str)  // OK
    {
    #if 0  // strは変更できない
        str = "it can NOT be changed";
    #endif
    }

    void g()
    {
        auto s = std::make_unique<std::string>("hehe");

        f0(s);   // sは変更されないが、sが保持しているstd::stringオブジェクトは変更できる
        f1(*s);  // sは変更されないが、sが保持しているstd::stringオブジェクトは変更できる
        f2(*s);  // sも、sが指しているstd::stringオブジェクトも変更されない
    }

自動変数

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1033

    int32_t a, b;  // NG 一度に2つの変数定義
    int32_t index;

    // Do something
    ...

    index = get_index();                    // NG 定義と使用箇所が離れている
    int32_t index2{get_index()};            // OK
    auto    index3 = get_index();           // OK AAA
    auto    index4 = int32_t{get_index()};  // OK 型を明示したAAA

    int32_t i;

    for (i = 0; i < max; ++i) {  // NG 定義と使用箇所が離れている
        // Do something
    }

    for (int32_t i{0}; i < max; ++i) {  // OK
        // Do something
        ...
    }

    for (auto i = 0; i < max; ++i) {  // OK AAAスタイル
        // Do something
        ...
    }

    ...

    auto& w0 = Widget::Inst();  // if文後にはw0を使用しないならばNG
    if (w0.GetStatus() == Widget::Success) {
        w0.DoSomething();
    }
    else {
        w0.DoSomething(Widget::None);
    }
    // この後w0を使用しない

    ...

    if (auto& w1 = Widget::Inst(); w1.GetStatus() == Widget::Success) {  // OK C++17より使用可能
        w1.DoSomething();
    }
    else {
        w1.DoSomething(Widget::None);
    }

    ...

    auto const& w2 = Widget::InstConst();  // switch文後にw2を使用しないならばNG
    switch (w2.GetStatus()) {
    case Widget::Success:
        // Do something
        break;
        ...
    default:
        // Do something
        break;
    }
    // この後w2を使用しない

    ...

    switch (auto const& w3 = Widget::InstConst(); w3.GetStatus()) {  // OK C++17より使用可能
    case Widget::Success:
        // Do something
        break;
        ...
    default:
        // Do something
        break;
    }

戻り値型

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1136

    auto f(int32_t a, int32_t b) noexcept -> decltype(a + b)  // NG
    {
        return a + b;
    }

    template <typename T>
    auto f(T a, T b) noexcept -> decltype(a + b)  // OK 後置構文以外に方法がない
    {
        return a + b;  // T = uint8_tとすると、a + bの型はint32_t
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1149

    void g0(int32_t a, int32_t b, int32_t& quotient, int32_t& remainder)  // NG
    {
        quotient  = a / b;
        remainder = a % b;
    }

    int32_t g1(int32_t a, int32_t b, int32_t& remainder)  // NG
    {
        remainder = a % b;
        return a / b;
    }

    std::pair<int32_t, int32_t> g_pair(int32_t a, int32_t b)  // OK
    {
        return {a / b, a % b};
    }

    struct Result {
        int32_t quotient;
        int32_t remainder;
    };

    Result g_struct(int32_t a, int32_t b)  // OK
    {
        return {a / b, a % b};
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1182

    {
        int32_t quotient;
        int32_t remainder;
        g0(7, 3, quotient, remainder);  // NG quotient、remainderが戻り値かどうかわかりづらい
        ASSERT_EQ(2, quotient);
        ASSERT_EQ(1, remainder);
    }
    {
        int32_t remainder;
        int32_t quotient{g1(7, 3, remainder)};  // NG remainderが戻り値かどうかわかりづらい
        ASSERT_EQ(2, quotient);
        ASSERT_EQ(1, remainder);
    }
    {
        auto ret = g_pair(7, 3);  // OK
        ASSERT_EQ(2, ret.first);
        ASSERT_EQ(1, ret.second);
    }
    {
        auto [quotient, remainder] = g_struct(7, 3);  // OK C++17 構造化束縛
        ASSERT_EQ(2, quotient);
        ASSERT_EQ(1, remainder);
    }
    {
        auto ret = g_struct(7, 3);  // OK
        ASSERT_EQ(2, ret.quotient);
        ASSERT_EQ(1, ret.remainder);
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1240

    bool h0(int32_t a, int32_t b, int32_t& remainder)  // NG
    {
        if (b == 0) {
            return false;
        }

        remainder = a % b;

        return true;
    }

    int32_t h1(uint32_t a, uint32_t b)  // NG 余りが-1になる場合(外れ値)、エラー通知
    {
        if (b == 0) {
            return -1;
        }

        return a % b;
    }

    std::pair<bool, int32_t> h_pair(int32_t a, int32_t b)  // NG
    {
        if (b == 0) {
            return {false, 0};
        }

        return {true, a % b};
    }

    struct Result2 {
        bool    is_success;
        int32_t remainder;
    };

    Result2 h_struct(int32_t a, int32_t b)  // NG
    {
        if (b == 0) {
            return {false, 0};
        }

        return {true, a % b};
    }

    std::optional<int32_t> h_optional(int32_t a, int32_t b)  // OK
    {
        if (b == 0) {
            return std::nullopt;
        }

        return a % b;
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1297

    {
        int32_t remainder;

        auto result = h0(7, 0, remainder);
        ASSERT_FALSE(result);  // エラー時にremainderが有効か否かわからない
    }
    {
        auto remainder = h1(7, 0);
        ASSERT_EQ(-1, remainder);  // エラー通知がわかりづらい
    }
    {
        auto [result, remainder] = h_pair(7, 0);
        ASSERT_FALSE(result);  // エラー時にremainderが有効か否かわからない
    }
    {
        auto [result, remainder] = h_struct(7, 0);
        ASSERT_FALSE(result);  // エラー時にremainderが有効か否かわからない
    }
    {
        auto result = h_optional(7, 0);
        ASSERT_FALSE(result);

        result = h_optional(7, 4);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ(3, *result);  // 成功時の値取り出し
    }

constexpr関数

リエントラント性

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1353

    int32_t var{0};

    int32_t f() noexcept  // リエントラントでない関数f()
    {
        return ++var;
    }

    int32_t f(int32_t& i) noexcept  // リエントラントな関数f()
    {
        return ++i;
    }

エクセプション処理

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1384

    int32_t f() noexcept;  // OK fはno-fail保証

    class Derived : public Base {
        ...
        // オブジェクトの状態を変えず(const)、エクセプションを発生させず(noexcept)
        // f()の最後(final)のoverride
        virtual int32_t f() const noexcept final
        {
            ...
        }
    };
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1404

    struct ExceptionA : std::exception {};
    struct ExceptionB : ExceptionA {};
    struct ExceptionX : std::exception {};

    void order_of_catch() noexcept
    {
        try {
            ...
        }
        catch (ExceptionB const& e) {  // ExceptionAの前に書く。
            ...
        }
        catch (ExceptionA const& e) {  // std::exceptionの前に書く。
            ...
        }
        catch (ExceptionX const& e) {  // std::exceptionの前に書く。
            ...
        }
        catch (std::exception const& e) {  // catch(...)の前に書く。
            ...
        }
        catch (...) {  // 必ず一番最後に書く。
            ...
        }
    }

    void order_of_catch_with_try() noexcept
    try {  // 関数tryブロック
        ...
    }
    catch (ExceptionB const& e) {  // ExceptionAの前に書く。
        ...
    }
    catch (ExceptionA const& e) {  // std::exceptionの前に書く。
        ...
    }
    catch (ExceptionX const& e) {  // std::exceptionの前に書く。
        ...
    }
    catch (std::exception const& e) {  // catch(...)の前に書く。
        ...
    }
    catch (...) {  // 必ず一番最後に書く。
        ...
    }
    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1467

    int32_t f0()  // noexceptではないため、エクセプションを発生させることがある。
    {
        ...
    }

    int32_t f1() noexcept
    {
        ...
    }

    #if __cplusplus < 201703L  // 以下のコードはC++14以前ではコンパイルできるが、
                               // C++17以降ではコンパイルエラー
    int32_t (*f_ptr0)() noexcept = &f0;  // NG f_ptr0()はnoexceptだが、
                                         //    f0はエクセプションを発生させる可能性がある。
    #endif
    int32_t (*f_ptr1)() noexcept = &f1;  // OK
    int32_t (*f_ptr2)()          = &f0;  // OK
    int32_t (*f_ptr3)()          = &f1;  // OK f1はエクセプションを発生させない。

    class A {
    public:
        int32_t f0()  // noexceptではないため、エクセプションを発生させることがある。
        {
            ...
        }

        int32_t f1() noexcept
        {
            ...
        }
    };

    #if __cplusplus < 201703L  // 以下のコードはC++14以前ではコンパイルできるが、
                               // C++17以降ではコンパイルエラー
    int32_t (A::*mf_ptr0)() noexcept = &A::f0;  // NG mf_ptr0()はnoexceptだが、
                                                //    f0はエクセプションを発生させる可能性がある。
    #endif
    int32_t (A::*mf_ptr1)() noexcept = &A::f1;  // OK
    int32_t (A::*mf_ptr2)()          = &A::f0;  // OK
    int32_t (A::*mf_ptr3)()          = &A::f1;  // OK f1はエクセプションを発生させない。

ビジーループ

    //  example/programming_convention/func_ut.cpp 1529

    // NG イベントドリブンにするべき
    void wait_busily() noexcept
    {
        while (1) {
            sleep(1);
            if (xxx_flag) {
                ...
                break;
            }
        }

        ...
    }

    // OK selectでイベント発生を待つ。
    void wait_event(fd_set const& rfds, uint32_t wait_sec) noexcept
    {
        while (1) {
            auto rfds2 = rfds;
            auto tv    = timeval{wait_sec, 0};

            auto retval = select(1, &rfds2, 0, 0, &tv);

            ...
        }

        ...
    }

構文

複合文

    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 22

    if (a == 0) {
        b = 0;  // OK
    }

    if (a == 0)
        b = 0;                      // NG 複合文でない

    if (a == 0) {
        b = 0;                      // OK
    }
    else                            // NG 複合文でない
        b = 1;

    for (auto i = 0; i < a; ++i) {  // OK
        c[i] = i;
    }

    for (auto i = 0; i < a; ++i)    // NG
        c[i] = i;
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 53

    while (volatile_flag) {
    }  // NG ;が無い

    while (volatile_flag) {
        ;  // OK
    }

    while (volatile_flag)
        ;  // NG whileの文が複合文でない

switch文

    // fallthrough          // C++14以前

    [[fallthrough]];        // C++17以降
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 79

    switch (a) {
    case 0:
        b = 0;
        break;  // OK
    case 1:
        e = 2;  // NG break無しで抜けているのにコメントが無い
    case 2:
        c = 1;
        // fallthrough  C++14以前であればOK
    case 3:
        e += 2;
        [[fallthrough]];  // OK C++17
    case 4:
        d = 1;
        break;  // OK
    default:
        assert(false);  // OK 論理的にここには来ないのならば、defaultを省略せずにassert
    }

if文

    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 111

    if (a == 1) {
        ...
    }
    else if (a == 2) {
        ...
    }  // NG elseで終了していない

    if (a == 1) {
        ...
    }
    else if (a == 2) {
        ...
    }
    else {  // OK else文でやることがない場合は、;のみ記述
        ;
    }
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 134

    if (a == 1) {
        ...
    }
    else if (a == 2) {
        ...
    }
    else {              // OK
        assert(false);  //    ここに来るのはバグの場合。
    }

while文

範囲for文

    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 155

    auto vect = std::vector<uint32_t>{0, 1, 2, 3, 4};

    // NG oldスタイル
    for (auto i = 0U; i < vect.size(); ++i) {
        std::cout << vect[i] << " ";
    }
    ...

    // NG C++03スタイル
    for (std::vector<uint32_t>::iterator it = vect.begin(); it != vect.end(); ++it) {
        *it = 3;
    }

    for (std::vector<uint32_t>::const_iterator it = vect.cbegin(); it != vect.cend(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    ...

    // OK C++11スタイル
    for (auto const& a : vect) {
        std::cout << a << " ";
    }
    ...

制御文のネスト

return文

    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 194

    ...

    if (xxx) {
        // decltype(retval)は、int32_t
        // decltype((retval))は、(retval)がlvalueであるためint32_t&
        // この違いは通常問題にはならないが、関数の戻り値を型推測させると問題になる。
        return (retval);  // NG ()は不要
    }
    else {
        return retval2;  // OK
    }
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 215

    // @brief メッセージを出力してプログラムを終了させる。
    // @param const char* message 上記メッセージ
    [[noreturn]] void terminate(char const* message)
    {
        auto const str = std::string{"unrecoverable error"} + message;

        ...

        throw std::runtime_error{str};
    }

goto文

ラムダ式

    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 235

    // ラムダ式はワンライナーが基本
    auto itr = std::find_if(strs.begin(), strs.end(), [](auto const& n) noexcept {
        return (n.at(0) == 'n') && (n.size() > 5);
    });
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 260

    // NG デフォルトのキャプチャ方式
    class A {
    public:
        ...
        std::vector<std::string> GetNameLessThan(uint32_t length) const
        {
            auto ret = std::vector<std::string>{};

    #if __cplusplus == 201703L  // =でのキャプチャは範囲は大きすぎるため、C++20から非推奨
            std::copy_if(strs_.cbegin(), strs_.cend(), std::back_inserter(ret),
                         [=](auto const& str) noexcept { return (strs_.size() < length); });

    #elif __cplusplus == 202002L
            std::copy_if(strs_.cbegin(), strs_.cend(), std::back_inserter(ret),
                         [&strs = strs_, length = length](auto const& str) noexcept {
                             return (strs.size() < length);
                         });
    #else
            static_assert(false, "C++ version not supported!");
    #endif

            return ret;
        }

    private:
        std::vector<std::string> strs_;
    };
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 297

    // OK 限定したキャプチャにより、ラムダ式から可視である変数が限定された
    class A {
    public:
        ...
        std::vector<std::string> GetNameLessThan(uint32_t length) const
        {
            auto ret = std::vector<std::string>{};

    #if __cplusplus == 201103L  // c++11
                                // [length]を代入キャプチャと呼ぶ。

            std::copy_if(strs_.cbegin(), strs_.cend(), std::back_inserter(ret),
                         [length](std::string const& str) noexcept { return (str.size() < length); });

    #elif __cplusplus >= 201402L  // c++14以降
            // [length = length]を初期化キャプチャと呼ぶ。
            // 左のlengthのスコープはラムダ式内。右のlengthのスコープはGetNameLessThan内。

            std::copy_if(strs_.cbegin(), strs_.cend(), std::back_inserter(ret),
                         [length = length](auto const& str) noexcept { return (str.size() < length); });
    #else
            static_assert(false, "CPP_VER should be 11 or 14");
    #endif
            return ret;
        }
        ...
    };
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 333

    class B {
    public:
        ...
        std::function<bool(int)> GenLambda(int max)
        {
            // NG
            // この関数が返すはクロージャがリファレンスしているmaxはこの関数が終了すると無効になる。
            return [&max](int n) noexcept { return n < max; };
        }

        std::function<bool(int)> GenLambda()
        {
            // NG
            // この関数が返すクロージャがリファレンスしているmin_はBオブジェクトが終了すると無効になる。
            return [&min = min_](int n) noexcept { return n > min; };
        }

    private:
        int min_;
    };
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 371

    auto square1 = [](int32_t n) { return n * n; };

    static_assert(square1(2) == 4);  // C++17以降、square1(2)はリテラル

    auto i = 2;
    // static_assert(square1(i) == 2);  // iはconstexprではないので、コンパイルエラー

    constexpr auto j       = 2;
    constexpr auto square2 = [n = j]() { return n * n; };  // constexprの宣言が必要

    static_assert(square2() == 4);  // C++17以降、square2()はリテラル

    auto square3 = [n = j]() { return n * n; };

    // static_assert(square3() == 4);  // square3()はリテラルではないので、コンパイルエラー
    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 392

    constexpr int32_t square4(int32_t n)  // OK nがconstexprであれば、ラムダはconstexpr
    {
        return [n] { return n * n; }();
    }

    static_assert(square4(2) == 4);  // C++17以降、square4(2)はリテラル

    constexpr auto square5(int32_t n)  //  OK nがconstexprであれば、ラムダはconstexpr
    {
        // nがconstexprならば、ラムダ式はリテラル
        auto f = [n] { return n * n; };

        // fの戻り値がリテラルならば、gもリテラル
        auto g = [f] { return f(); };
        return g;
    }

    static_assert(square5(2)() == 4);  // C++17以降、square5(2)はリテラル

マクロの中の文

    //  example/programming_convention/syntax_ut.cpp 420

    // do-while(0)イデオムによる関数型マクロ
    #define INIT_ARRAY(array_, x_)      \
        do {                            \
            for (auto& a_ : (array_)) { \
                a_ = (x_);              \
            }                           \
        } while (0)

    void f(uint32_t (&a)[10])
    {
        // INIT_ARRAYがdo-whileではなく、単なるブロックで囲むと、";"が余計になる。
        INIT_ARRAY(a, 3);
    }

演算子

優先順位

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 18

    // 論理演算子例
    if (a < b && c < d || e < f)  // NG 優先順位がわからない
    {
        ...
    }

    if (((a < b) && (c < d)) || (e < f))  // OK
    {
        ...
    }

    // シフト演算子例
    auto a0 = b << 16 + 1;    // NG
    auto a1 = b << (16 + 1);  // OK
    auto a2 = (b << 16) + 1;  // OK

    // ビット演算ではないが
    std::cout << a0 + 1;    // NG
    std::cout << (a1 + 1);  // OK

    // 三項演算子例
    auto e0 = a ? b : c = d;      // NG
    auto e1 = ((a ? b : c) = d);  // OK
    auto e2 = (a ? b : (c = d));  // OK 上記NG式と同じ意味
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 60
    {
        auto a = 4;

        a = a * 3 / 2;
        ASSERT_EQ(6, a);
    }
    {
        auto a = 4;

        a *= 3 / 2;  // この式は、a = a * 3 / 2と等価ではない
        ASSERT_EQ(4, a);
    }

代入演算

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 87

    a = b = 0;              // OK
    b     = (a += 1) + 2;   // NG
    b     = (a++) + (c++);  // NG

    b = b++;  // NG unary operators assign itself.

    ++a;         // OK
    auto i = a;  // OK

    a = 0;                 // OK
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 104

    if (c = b) {  // NG ifの条件文の中で代入
        return 0;
    }

    if ((fd1 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  // OK このような場合は代入していることが明確
        return false;
    }

    if (auto fd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); fd2 < 0) {  // OK C++17
        return false;
    }
    else {
        // fd2を使った処理
        ...
    }

ビット演算

論理演算

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 138

    if (a == 0 && ++b > 3) {  // NG ++bが上記の副作用
        ...
    }

    // ↑のような記述は、↓とは意味が違う
    ++b;
    if (a == 0 && b > 3) {  // OK
        ...
    }

    if (a == 0) {  // OK 上記NGのif文と同じ意味
        ++b;
        if (b > 3) {
            ...
        }
    }

条件演算子

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 170

    int const a0{xxx ? 3 : 4};  // OK constで定義、初期化

    int a1;  // NG a1をconstにできない
             //    定義と初期が分離してしまう
    if (xxx) {
        a1 = 3;
    }
    else {
        a1 = 4;
    }

メモリアロケーション

new

delete

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 204

    void deleteA(A* a_ptr) noexcept
    {
        // Aが不完全型だった場合、deleteAは、A::~A()にアクセスできないため、A::~A()は呼び出されない
        // これはリソースリークにつながる
        delete a_ptr;
    }

    // やむを得ず、deleteAのような関数を作る場合、下記のようにstatic_assertをdelete行の直前に書く
    // こうすることによりAが不完全型であった場合、コンパイルエラーとなる
    void deleteA2(A* a_ptr) noexcept
    {
        static_assert(sizeof(*a_ptr) != 0, "incomplete type");
        delete a_ptr;
    }

    // やむを得ず、deleteAのような関数を作る場合、std::unique_ptr<>を使用することもできる
    // こうすることによりAが不完全型であった場合、コンパイルエラーとなる
    void deleteA3(A* a_ptr) noexcept { std::unique_ptr<A> a(a_ptr); }
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 226

    void delete_ptr(void* v_ptr) noexcept
    {
        // NG
        // 任意の型のポインタは、キャストすること無しでこの関数に渡すことができる
        // そのポインタがクラス型であった場合でも、void*として扱われるため、
        // そのクラスのデストラクタは呼び出されない
        delete v_ptr;
    }

    void deleteA4(A* ptr) noexcept
    {
        delete_ptr(ptr);  // NG ptrはvoid*へ暗黙のキャストが行われる
                          //    delete_ptrでは、A::~A()は呼び出されない
    }
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 246

    if (ptr != nullptr) {  // NG nullptrとの比較は不要
        delete ptr;
    }

    ...

    delete ptr;  // OK ptrがnullptrでも問題ない

メモリ制約が強いシステムでの::operator new

sizeof

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 272

    uint8_t  a = 0;
    uint8_t* b = &a;

    auto s_0 = sizeof(uint8_t);  // NG aのサイズをs_0に代入したい場合
    auto s_1 = sizeof(a);        // OK aのサイズをs_1に代入したい場合
    auto s_2 = sizeof(*b);       // OK *bのサイズをs_2に代入したい場合
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 284

    a = 0;

    auto size_3 = sizeof(++a);  // NG  おそらく意図通りには動かない
                                // この行でもa == 0(++aは効果がない)
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 297

    // 下記のようなsizeofディスパッチはC++03ではよく使われたが、
    // C++11ではtype_traitsを使えば、もっとスマートに実装できる
    struct True {
        uint8_t temp[2];
    };
    struct False {
        uint8_t temp[1];
    };

    constexpr True  sizeof_dispatch(int32_t);
    constexpr False sizeof_dispatch(...);
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 314

    static_assert(sizeof(sizeof_dispatch(int{})) == sizeof(True), "int32_t is int");
    static_assert(sizeof(sizeof_dispatch(std::string{})) != sizeof(True), "int32_t is not string");

    // 上記はC++11では下記のように実装すべき
    static_assert(std::is_same_v<int, int32_t>, "int32_t is int");
    static_assert(!std::is_same_v<std::string, int32_t>, "int32_t is not string");
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 329

    void f(int8_t arg_array0[5], int8_t arg_array1[], int8_t (&arg_array2)[5]) noexcept
    {
        int8_t* ptr;
        int8_t  array[5];

        // arg_array0、arg_array1の型は、int8_t*
        // 従って、sizeof(arg_array0)の値は、sizeof(int8_t) * 5ではなく、sizeof(int8_t*)である

        // 64bit環境でコンパイルポインタサイズは8バイト
        static_assert(8 == sizeof(arg_array0), "arg_array0 is a pointer but an array");
        static_assert(8 == sizeof(arg_array1), "arg_array1 is a pointer but an array");
        static_assert(5 == sizeof(arg_array2), "arg_array2 is an array");
        static_assert(8 == sizeof(ptr), "ptr must be 8 bytes on 64bit environment");
        static_assert(5 == sizeof(array), "int8_t[5] is 5 bytes");
    }

ポインタ間の演算

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 365

    int8_t  a0[5];
    int8_t  a1[5];
    int8_t* end0{&a0[5]};
    int8_t* end1{&a1[5]};

    for (int8_t* curr{a0}; curr < end0;  // OK currもend0もa0のどこかを指している
         ++curr) {
        *curr = 0;
    }

    for (int8_t* curr{a0}; curr < end1;  // NG currとend1は別々のオブジェクトを指している
         ++curr) {
        *curr = 0;
    }

RTTI

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 385

    class Base {
    public:
        virtual ~Base() = default;
        ...
    };

    class Derived_0 : public Base {
        ...
    };

    class Derived_1 : public Base {
        ...
    };

    ...

    // NGの例
    void b_do_something(Base const& b) noexcept
    {
        auto name = std::string_view{typeid(b).name()};

        // bの実際の型を使った場合分けによる最悪のコード
        // dynamic_castによる場合分けも、下記のコードより大きく改善するわけではない
        if (name == "4Base") {  // マングリングされたBase
            ...
        }
        else if (name == "9Derived_0") {  // マングリングされたDerived_0
            ...
        }
        else if (name == "9Derived_1") {  // マングリングされたDerived_1
            ...
        }
        else {
            assert(false);
        }
    }
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 473

    // OKの例
    // 上記のb_do_somethingにポリモーフィズムを適用しリファクタリング
    class Base {
    public:
        void DoSomething() noexcept { do_something(); }
        ...
    private:
        virtual void do_something() noexcept
        {
            ...
        }
    };

    class Derived_0 : public Base {
    private:
        virtual void do_something() noexcept override
        {
            ...
        }
        ...
    };

    class Derived_1 : public Base {
    public:
        virtual void do_something() noexcept override
        {
            ...
        }
        ...
    };

    // virtual Base::do_something()により醜悪なswitchが消えた
    void b_do_something(Base& b) noexcept { b.DoSomething(); }

キャスト、暗黙の型変換

    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 526
    class Base {
        ...
    };

    class Derived : public Base {
        ...
    };

    void f() noexcept
    {
        auto  d     = Derived{};
        Base* b_ptr = &d;  // ここまでは良い

        auto d_ptr = static_cast<Derived*>(b_ptr);  // ダウンキャスト、動作保証はない

    }
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 550

    class A {
    public:
        A() : str_{std::make_unique<std::string>("sample")}
        {
            ...
        }

        ~A()
        {
            ...
        }

    private:
        std::unique_ptr<std::string> str_;  // ~unique_ptr()は~A()から呼ばれる
    };

    class B;
    //  example/programming_convention/operator_ut.cpp 578

    void* v = new A;  // 暗黙の型変換
                      // これ自体は問題ないが、vをdeleteすると
                      // A::~A()が呼び出されないためメモリリークする

    B* b = static_cast<B*>(v);  // ダウンキャストの一種で、極めて悪質なことが多い
                                // 実際、このコードの中にクラスBの定義はないが
                                // このようなことができてしまう

    delete v;          // このdeleleは、A::~A()を呼び出さない

プリプロセッサ命令

    //  example/programming_convention/preprocessor_ut.cpp 14

    bool f() noexcept
    {
    #ifdef DEBUG  // NG
        std::cout << __func__ << ":" << __LINE__ << std::endl;
    #endif

        ...

    #if 0  // NG
        return true;
    #else  // NG
        return false;
    #endif
    }

    // やむを得ず条件付きコンパイルが必要な場合、下記のように書き、関数ブロックの中に
    // #ifdefは書かない。

    #ifdef DEBUG
    #define DEBUG_COUT() std::cout << __func__ << ":" << __LINE__ << std::endl
    #else
    #define DEBUG_COUT()
    #endif

    bool g() noexcept
    {
        DEBUG_COUT();

        ...

        return false;
    }
    //  example/programming_convention/preprocessor.h 3

    #ifdef __cplusplus
    extern "C" {
    #endif  // __cplusplus

    extern bool func_shared_c();

    #ifdef __cplusplus
    }
    #endif  // __cplusplus
    //  example/programming_convention/preprocessor_ut.cpp 53

    #define GEN_SYMBOL(x_, y_) x_##y_

    int32_t h() noexcept
    {
        int32_t GEN_SYMBOL(a, b);  // int ab;と同じ

        ab = 3;

        return ab;
    }
    //  example/programming_convention/preprocessor_ut.cpp 72
    //
    // ヘッダファイルでの宣言(NGのパターン)
    //

    enum class ShippingRegions { Japan, US, EU };

    struct ShippingData {
        // 何らかの宣言
    };

    void ShippingDoSomething(ShippingData const& region_data);

    #if defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // NG

    constexpr ShippingRegions shipping_region = ShippingRegions::Japan;

    ShippingData const region_data{
        // 何らかのデータ
    };

    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // NG

    constexpr ShippingRegions shipping_region = ShippingRegions::US;
    ShippingData const region_data{
        // 何らかのデータ
    };

    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && defined(SHIP_TO_EU)  // NG

    constexpr ShippingRegions shipping_region = ShippingRegions::EU;
    ShippingData const        region_data{
        // 何らかのデータ
    };

    #else
    static_assert(false, "SHIP_TO_JAPAN/US/EU must be defined");
    #endif

    //
    // .cppファイルでの定義(NGのパターン)
    //
    void ShippingDoSomething(ShippingData const& region_data)
    {
    #if defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // NG
        // 何らかの処理
    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // NG
        // 何らかの処理
    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && defined(SHIP_TO_EU)  // NG
        // 何らかの処理
    #else
        static_assert(false, "SHIP_TO_JAPAN/US/EU must be defined");
    #endif
    }
    //  example/programming_convention/preprocessor_ut.cpp 140
    //
    // ヘッダファイルでの宣言(OKのパターン)
    //

    enum class ShippingRegions { Japan, US, EU };

    struct ShippingData {
        // 何らかの宣言
    };
    void ShippingDoSomething(ShippingData const& region_data);

    extern ShippingData const& region_data;

    #if defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // OK

    constexpr ShippingRegions shipping_region = ShippingRegions::Japan;

    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // OK

    constexpr ShippingRegions shipping_region = ShippingRegions::US;

    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && defined(SHIP_TO_EU)  // OK

    constexpr ShippingRegions shipping_region = ShippingRegions::EU;

    #else
    static_assert(false, "SHIP_TO_JAPAN/US/EU must be defined");
    #endif

    //
    // .cppファイルでの定義(OKのパターン、以下にはプリプロセッサ命令は出てこない)
    //

    void ShippingDoSomething(ShippingData const& region_data)
    {
        if constexpr (shipping_region == ShippingRegions::Japan) {
            // 何らかの処理
        }
        else if constexpr (shipping_region == ShippingRegions::US) {
            // 何らかの処理
        }
        else if constexpr (shipping_region == ShippingRegions::EU) {
            // 何らかの処理
        }
        else {
            static_assert(shipping_region == ShippingRegions::Japan
                          || shipping_region == ShippingRegions::US
                          || shipping_region == ShippingRegions::EU);
        }
    }

    template <ShippingRegions sr>
    ShippingData const& gen_shipping_data()
    {
        if constexpr (sr == ShippingRegions::Japan) {
            static ShippingData const region_data{
                // 何らかのデータ
            };
            return region_data;
        }
        else if constexpr (sr == ShippingRegions::US) {
            static ShippingData const region_data{
                // 何らかのデータ
            };
            return region_data;
        }
        else if constexpr (sr == ShippingRegions::EU) {
            static ShippingData const region_data{
                // 何らかのデータ
            };
            return region_data;
        }
        else {
            static_assert(sr == ShippingRegions::Japan || sr == ShippingRegions::US
                          || sr == ShippingRegions::EU);
        }
    }

    ShippingData const& region_data = gen_shipping_data<shipping_region>();

関数型マクロ

    //  example/programming_convention/preprocessor_ut.cpp 242

    #define ARRAY_LENGTH(array_) (sizeof(array_) / sizeof(array_[0]))  // NG

    template <typename T, size_t N>  // OK
    constexpr size_t array_length(T const (&)[N]) noexcept
    {
        return N;
    }

    // arrayは配列へのリファレンスだが関数中では配列
    size_t f0(bool use_macro, int32_t (&array)[5]) noexcept
    {
        if (use_macro) {
            return ARRAY_LENGTH(array);  // この場合は、関数型マクロでも正しく処理できるが好ましくない
        }
        else {
            return array_length(array);  // OK
        }
    }

    // fake_arrayは配列に見えるが実際にはポインタ
    size_t f1(bool use_macro, int32_t fake_array[5]) noexcept
    {
        if (use_macro) {
            return ARRAY_LENGTH(fake_array);  // NG 誤用でもコンパイルできてしまい不正値を返す
        }
        else {
            // return  array_length(fake_array); // OK 誤用のためコンパイルエラー
            auto array = reinterpret_cast<int32_t(*)[5]>(fake_array);  // 無理やりコンパイル
            return array_length(*array);
        }
    }

マクロ定数

    //  example/programming_convention/preprocessor_ut.cpp 293

    #define XXX_LENGHT 5  // NG

    constexpr uint32_t YyyLenght{5};  // OK

    #define XXX_TYPE_A 0  // NG
    #define XXX_TYPE_B 1  // NG
    #define XXX_TYPE_C 2  // NG

    enum class XxxType {  // OK
        A = 0,            //      Aの値が必要だと前提
        B,
        C
    };

パッケージとその構成ファイル

パッケージの実装と公開

    //  example/programming_convention/pkg.cpp 1

    // PackageC内の*.cppファイルの内部とする
    #include <memory>  // システムヘッダ
    #include <mutex>   // システムヘッダ
    #include <string>  // システムヘッダ

    // PackageBがエクスポートするするヘッダを使用するために、
    // 以下のようなコンパイルオプションが必要になる
    //      -I<DIR>/PackageA/h
    // <DIR>はコンパイラが実行されるディレクトリ
    //
    #include "PackageA/xxx.h"  // PackageAのインクルード
    #include "PackageB/b0.h"   // PackageBのインクルード
    #include "PackageB/b3.h"   // PackageBのインクルード
    #include "internal.h"      // パッケージ外部非公開ヘッダのインクルード

識別子の宣言、定義

依存関係

二重読み込みの防御

    //  example/programming_convention/lib/inc/xxx.h 1

    // lib/inc/xxx.hでの#includeガード

    #ifndef LIB_INC_XXX_H_
    #define LIB_INC_XXX_H_

    extern void XxxInitialize();

    ...

    #endif  // LIB_INC_XXX_H_
    //  example/programming_convention/lib/inc/xxx.h 16

    #pragma once

ヘッダファイル内の#include

    //  example/programming_convention/header.h 3

    // Pod0, Pod1の定義は別ファイルでされていると前提。
    struct Pod0;
    struct Pod1;

    // 下記関数宣言のコンパイルには、Pod0、Pod1の完全な定義は必要ない。
    extern void forward_decl(Pod0 const* pod_0, Pod1* pod_1) noexcept;
    extern Pod1 forward_decl(Pod0 const* pod_0) noexcept;
    extern void forward_decl(Pod0 pod_0) noexcept;
    //  example/programming_convention/header_ut.cpp 12

    // Pod0, Pod1の定義がなくても宣言があるためコンパイルできる
    forward_decl(nullptr, nullptr);

    // 下記のソースコードのコンパイルには、Pod0の定義が必要なのでコンパイルできない
    // forward_decl(nullptr);

#includeするファイルの順番

#includeで指定するパス名

    //  example/programming_convention/lib/header.cpp 1

    #include <string>  // OK

    #include "../h/suppress_warning.h"  // NG   上方向へのファイルパスは禁止

    #include "../header.h"  // NG   上方向へのファイルパスは禁止
    #include "inc/xxx.h"    // OK

スコープ

スコープの定義と原則

この章で扱うスコープを下記のように定義する(「パッケージの実装と公開」参照)。

  1. グローバル
  2. パッケージ外部公開名前空間
  3. パッケージ外部非公開名前空間
  4. ファイル(無名名前空間と関数外static)
  5. クラス内
  6. 関数内
  7. ブロック内

リンクの観点からは、2と3の識別子は同じスコープを持つが、 その識別子はパッケージ外部非公開なヘッダファイルに宣言、定義されているため、 パッケージ外から(まともな方法では)アクセスできない。

    //  example/programming_convention/scope.h 7

    extern uint32_t xxx;  // NG 外部から参照可能な静的変数
    extern uint64_t yyy;  // NG 同上
    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 18

    uint32_t xxx;  // NG 外部から参照可能な静的変数
    uint32_t yyy;  // NG 同上

    uint32_t f(uint32_t yyy) noexcept
    {
        auto xxx = 0;  // NG 関数外xxxと関数内xxxのスコープが重なっており区別が付きづらい

        return xxx + yyy;
    }
    // なお、
    //  scope.h内では、  uint64_t yyy;
    //  scope.cpp内では、uint32_t yyy;
    //  となっており、宣言と定義が矛盾している。
    //  この問題は、このファイルからscope.hをインクルードすれば防げる。

名前空間

    //  example/programming_convention/scope2.h 9

    template <size_t N>
    class StaticString {  // StaticStringは外部公開
        ...
    };

    namespace Inner_ {  // equal_nは外部非公開
    template <size_t N>
    constexpr bool equal_n(size_t n, StaticString<N> const& lhs, StaticString<N> const& rhs) noexcept
    {
        if (n == N) {
            return true;
        }
        else {
            return lhs.String()[n] != rhs.String()[n] ? false : equal_n(n + 1, lhs, rhs);
        }
    }
    }  // namespace Inner_

    template <size_t N1, size_t N2>  // operator==は外部公開
    constexpr bool operator==(StaticString<N1> const&, StaticString<N2> const&) noexcept
    {
        return false;
    }

    template <size_t N>  // operator==は外部公開
    constexpr bool operator==(StaticString<N> const& lhs, StaticString<N> const& rhs) noexcept
    {
        return Inner_::equal_n(0, lhs, rhs);
    }

using宣言/usingディレクティブ

    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 55

    using std::string;  // NG この関数内でのstd::stringの使用箇所が少ないのであれば、
                        //    using宣言ではなく、名前修飾する
    auto s_0 = string{"str"};       // NG
    auto s_1 = std::string{"str"};  // OK

    // 大量のstd::stringリテラルを使用する場合
    using std::literals::string_literals::operator""s;  // OK

    auto s_2 = "str"s;  // OK
    // ...
    auto s_N = "str"s;  // OK

    // クラス内でのusing宣言
    struct Base {
        void f(){};
    };

    struct Derived : Base {
        using Base::Base;  // OK 継承コンストラクタ
        using Base::f;     // OK B::fのインポート
        void f(int){};
    };
    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 84

    using namespace std;  // NG

    auto s0 = string{"str"};

    auto s1 = std::literals::string_literals::operator""s("str", 3);  // NG
    static_assert(std::is_same_v<std::string, decltype(s1)>);

    using namespace std::literals::string_literals;  // OK 例外的にOK

    auto s2 = "str"s;
    static_assert(std::is_same_v<std::string, decltype(s2)>);
    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 106

    namespace XxxLib {
    namespace OldVersion {
    int32_t f() noexcept
    {
        ...
    }
    }  // namespace OldVersion

    inline namespace NewVersion {  // NG inline
    int32_t f() noexcept
    {
        ...
    }
    }  // namespace NewVersion

    int32_t g() noexcept
    {
        return f();  // NG NewVersion::f()が呼ばれる。
    }
    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 141
    // 例外的にOKな例

    #if defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // OK
    #define INLINE_JAPAN inline                                                 // OK
    #define INLINE_US
    #define INLINE_EU

    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && defined(SHIP_TO_US) && !defined(SHIP_TO_EU)  // OK
    #define INLINE_JAPAN
    #define INLINE_US inline  // OK
    #define INLINE_EU

    #elif !defined(SHIP_TO_JAPAN) && !defined(SHIP_TO_US) && defined(SHIP_TO_EU)  // OK
    #define INLINE_JAPAN
    #define INLINE_US
    #define INLINE_EU inline  // OK

    #else
    static_assert(false, "SHIP_TO_JAPAN/US/EU must be defined");
    #endif

    namespace Shipping {
    INLINE_JAPAN namespace Japan  // OK
    {
        int32_t DoSomething() { return 0; }
    }

    INLINE_US namespace US  // OK
    {
        int32_t DoSomething() { return 1; }
    }

    INLINE_EU namespace EU  // OK
    {
        int32_t DoSomething() { return 2; }
    }
    }  // namespace Shipping
    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 183

    // SHIP_TO_JAPAN/US/EUを切り替えることで、対応したDoSomethingが呼ばれる
    // この例ではSHIP_TO_JAPANが定義されているため、Shipping::Japan::DoSomethingが呼ばれる
    ASSERT_EQ(0, Shipping::DoSomething());

    // 名前修飾することで、すべてのDoSomethingにアクセスできるため、単体テストも容易
    ASSERT_EQ(0, Shipping::Japan::DoSomething());
    ASSERT_EQ(1, Shipping::US::DoSomething());
    ASSERT_EQ(2, Shipping::EU::DoSomething());

ADLと名前空間による修飾の省略

    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 200

    namespace NS_0 {
    class X {};

    std::string f(X, int32_t)  // 第2引数int32_t
    {
        return "in NS_0";
    }
    }  // namespace NS_0

    namespace NS_1 {

    std::string f(NS_0::X, uint32_t)  // 第2引数uint32_t
    {
        return "in NS_1";
    }

    TEST(ProgrammingConvention, adl)
    {
        // in NS_1
        // 下記関数fの探索名前空間には、
        //  * 第1引数の名前空間がNS_0であるため、ADLにより、
        //  * この関数の宣言がNS_1で行われているため、
        // NS_0、NS_1が含まれる。
        // これにより、下記fの候補は、NS_0::f、NS_1::fになるが、第2引数1がint32_t型であるため、
        // 下記は、NS_0::fの呼び出しになる。

        ASSERT_EQ("in NS_0", f(NS_0::X(), 1));  // NS_0::fが呼ばれる。

        ASSERT_EQ("in NS_1", NS_1::f(NS_0::X(), 1));  // NS_1::fの呼び出しには名前修飾が必要
    }
    }  // namespace NS_1

名前空間のエイリアス

    //  example/programming_convention/scope_ut.cpp 238

    std::vector<std::string> find_files_recursively(
        std::string const& path, std::function<bool(std::filesystem::path const&)> condition)
    {
        namespace fs = std::filesystem;  // OK 長い名前を短く

        auto files  = std::vector<std::string>{};
        auto parent = fs::path{path.c_str()};

        using namespace fs;  // NG エイリアスをusing namespaceで使用しない

        std::for_each(fs::recursive_directory_iterator{parent},  // OK namespaceエイリアス
                      fs::recursive_directory_iterator{},        // OK namespaceエイリアス
                      ...
        );

        using fs::recursive_directory_iterator;  // NG エイリアスをusing宣言で使用しない

        std::for_each(recursive_directory_iterator{parent},  // NG
                      recursive_directory_iterator{},        // NG
                      ...
        );

        return files;
    }

ランタイムの効率

前置/後置演算子の選択

    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 14

    class A {
    public:
        A& operator++() noexcept  // 前置++
        {
            ++a_;  // メンバ変数のインクリメント
            return *this;
        }

        A operator++(int) noexcept  // 後置++
        {
            A old{*this};  // リターンするためのオブジェクト
            ++(*this);     // 前置++
            return old;    // oldオブジェクトのリターン(オブジェクトのコピー)
        }

        operator int() const noexcept { return a_; }

    private:
        int32_t a_{0};
    };
    //  example/h/measure_performance.h 4

    // パフォーマンス測定用
    template <typename FUNC>
    std::chrono::milliseconds MeasurePerformance(uint32_t count, FUNC f)
    {
        auto const start = std::chrono::system_clock::now();

        for (auto i = 0U; i < count; ++i) {
            f();
        }

        auto const stop = std::chrono::system_clock::now();

        return std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(stop - start);
    }
    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 41

    constexpr auto count = 10000000U;

    auto a_post = A{};
    auto post   = MeasurePerformance(count, [&a_post] {
        a_post++;  // NG 効率が悪い。
    });

    auto a_pre = A{};
    auto pre   = MeasurePerformance(count, [&a_pre] {
        ++a_pre;  // OK 上記に比べると効率が良い。
    });

    ASSERT_GT(post, pre);  // 前置++の処理は後置++より効率が良い。

operator X、operator x=の選択

    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 68

    class A {
    public:
        explicit A(int32_t a) noexcept : a_{a} {}

        A& operator+=(A const& rhs) noexcept
        {
            a_ += rhs.a_;
            return *this;
        }
        ...
        friend A operator+(A const& lhs, A const& rhs) noexcept  // メンバ関数に見えるが、非メンバ関数
        {
            A tmp{lhs};  // operator +=に対して、
            tmp += rhs;  // 「tmpを作り、それを返す]をしなければならない。
            return tmp;
        }
    };
    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 99

    auto a = A{1};
    auto b = A{2};

    a = a + b;  // NG 無駄なコピーが発生する
    ASSERT_EQ(a.Value(), 3);

    a += b;  // OK 無駄なコピーが発生しない
    ASSERT_EQ(a.Value(), 5);

関数の戻り値オブジェクト

    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 115

    struct HugeClass {
        int32_t a{0};
        int32_t array[100000]{};
    };

    HugeClass f() noexcept  // NG 巨大なオブジェクトのリターン
    {
        auto obj = HugeClass{};

        ...

        return obj;  // RVOが使えない場合パフォーマンス問題を引き起こす可能性がある。
    }

    class A {
    public:
        // RVO、SSOをサポートしているコンパイラを使用している場合、下記の2つのGetNameの
        // パフォーマンスに大差はない(ほとんどのC++コンパイラはRVO、SSOをサポートしている)。
        // 使い勝手は、std::string GetName()の方が良い。
        static std::string GetName()  // OK この程度なら問題はない
        {
            return "sample";
        }

        static void GetName(std::string& s)  // OK
        {
            s = "sample";
        }
    };

move処理

    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 150

    std::string MakeString(int a, int b)
    {
        auto ret = std::string{};

        ...
        // 文字列操作
        ...

    #if 0
        // NG
        // std::moveのため、RVOが抑止される。
        // -Wpessimizing-moveを指定してg++/clang++でコンパイルすれば、
        // "moving a local object in a return statement prevents copy elision"
        // という警告が出る。

        return std::move(ret);
    #else
        // OK
        // ローカルオブジェクトには通常RVOが行われるため、std::moveするよりも無駄が少ない。

        return ret;
    #endif
    }

std::string vs std::string const& vs std::string_view

    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 187
    // テスト0用関数

    void f0(std::string const& str) { /* strを使用した何らかの処理 */ }
    void f1(std::string str)        { /* strを使用した何らかの処理 */ }
    void f2(std::string_view str)   { /* strを使用した何らかの処理 */ }
    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 200
    // テスト0―0

    auto str     = std::string{__func__};
    auto f0_msec = MeasurePerformance(10000000, [&str] { f0(str); });
    auto f1_msec = MeasurePerformance(10000000, [&str] { f1(str); });
    auto f2_msec = MeasurePerformance(10000000, [&str] { f2(str); });

    // このドキュメントを開発しているPCでは上記の結果は以下の様になる。
    // f0 : 50 msec
    // f1 :222 msec
    // f2 : 55 msec
    // つまり、f0 < f2 < f1であり、f0とf2は大差がなく、f1は極めて非効率である。
    // 従って、文字列リテラルを関数に渡す場合の引数の型は、
    // std::string const&か、std::string_viewとするのが効率的である。
    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 224
    // テスト0―1

    auto f0_msec = MeasurePerformance(10000000, [] { f0(__func__); });
    auto f1_msec = MeasurePerformance(10000000, [] { f1(__func__); });
    auto f2_msec = MeasurePerformance(10000000, [] { f2(__func__); });

    // このドキュメントを開発しているPCでは上記の結果は以下の様になる。
    // f0 :674 msec
    // f1 :662 msec
    // f2 :115 msec
    // つまり、f2 < f1 < f0であり、f0、f1は極めて非効率である。
    // 従って、文字列を関数に渡す場合の引数の型は、std::string_viewとするのが効率的である。
    //
    // テスト0―0、テスト0―1の結果から、
    //   * 文字列リテラルからstd::string型テンポラリオブジェクトを作るような呼び出しが多い場合、
    //     std::string_view
    //   * 上記のような呼び出しがほとんどない場合、std::string const&
    // を引数型とすべきである。
    // 使用方法が想定できない場合、極めて非効率なテスト0-1のf0のパターンを避けるため、
    // std::string_viewを選択すべきだろう。
    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 253
    // テスト1用クラス

    class A0 {
    public:
        A0(std::string const& str) : str_{str} {}

    private:
        std::string str_;
    };

    class A1 {
    public:
        A1(std::string str) : str_{std::move(str)} {}  // strの一時オブジェクトをmoveで利用

    private:
        std::string str_;
    };

    class A2 {
    public:
        A2(std::string_view str) : str_{str} {}

    private:
        std::string str_;
    };
    //  example/programming_convention/runtime_ut.cpp 308
    // テスト1―1

    auto a0_msec = MeasurePerformance(10000000, [] { A0 a{__func__}; });
    auto a1_msec = MeasurePerformance(10000000, [] { A1 a{__func__}; });
    auto a2_msec = MeasurePerformance(10000000, [] { A2 a{__func__}; });

    // このドキュメントを開発しているPCでは上記の結果は以下の様になる。
    // A0 :834 msec
    // A1 :774 msec
    // A2 :704 msec
    // つまり、A2 < A1 < A0であり、A0の効率がやや悪い。
    // 従って、文字列リテラルを関数に渡す場合の引数の型は、
    // std::stringか、std::string_viewとするのが効率的である。
    //
    // コンストラクタのインターフェースとしては、
    // 実引数オブジェクトのライフタイムを考慮しなくて良いため、A0よりもA1の方が優れている。
    // この観点と、テスト1-0、テスト1-1の結果を総合的に考えれば、
    // このような場合の引数の型は、std::stringを選択すべきだろう。

extern template

    //  example/programming_convention/string_vector.h 4

    // このファイルをインクルードすると、
    // そのファイルでのstd::vector<std::string>のインスタンス化は抑止される。
    extern template class std::vector<std::string>;
    //  example/programming_convention/string_vector.cpp 3

    // std::vector<std::string>はこのファイルでインスタンス化される。
    template class std::vector<std::string>;

標準クラス、関数の使用制限

STL

スマートポインタの使用制限

配列系コンテナクラスの使用制限

std::stringの使用制限

std::string_viewの使用制限

    //  example/programming_convention/string_view_ut.cpp 11

    auto str = std::string{"abc"};
    auto sv  = std::string_view{str};  // OK lvalueからの初期化

    ASSERT_EQ(sv, std::string_view{"abc"});
    //  example/programming_convention/string_view_ut.cpp 31

    std::string_view sv = std::string{"abc"};  // NG rvalueからの初期化
                                               //    この行でstd::string{"abc"}が解放
    ASSERT_EQ(sv, std::string_view{"abc"});    //    svは無効なポインタを保持
    //  example/programming_convention/string_view_ut.cpp 43

    {  // 文字列リテラルを範囲として使用すると、ヌル文字が要素に含まれる
        auto oss = std::ostringstream{};

        for (char c : "abc") {
            oss << c;
        }

        ASSERT_EQ((std::string{'a', 'b', 'c', '\0'}), oss.str());  // ヌル文字が入る
    }
    {  // string_viewを使用すると、ヌル文字が要素に含まれない
        auto oss = std::ostringstream{};

        for (char c : std::string_view{"abc"}) {
            oss << c;
        }

        ASSERT_EQ((std::string{'a', 'b', 'c'}), oss.str());  // ヌル文字は入らない
    }
    //  example/programming_convention/string_view_ut.cpp 65

    char const a[]{"123"};
    auto       b = std::string_view{"01234"}.substr(1, 3);  // インデックス1 - 3

    ASSERT_EQ(a, b);  // a == bが成り立つ

    auto oss_a = std::ostringstream{};
    oss_a << a;

    auto oss_b = std::ostringstream{};
    oss_b << b;

    ASSERT_EQ(oss_a.str(), oss_b.str());  // ここまでは予想通り

    // bをインデックスアクセスすると以下のようになる。
    ASSERT_EQ('0', b[-1]); ASSERT_EQ('1', b[0]); ASSERT_EQ('2',  b[1]);
    ASSERT_EQ('3',  b[2]); ASSERT_EQ('4', b[3]); ASSERT_EQ('\0', b[4]);

    // 上記の結果から、以下の結果になることには注意が必要
    auto oss_b_cstr = std::ostringstream{};
    oss_b_cstr << b.data();  // data()は文字列リテラルへのポインタを指す。

    ASSERT_NE(oss_a.str(), oss_b_cstr.str());
    ASSERT_EQ("123", oss_a.str());
    ASSERT_EQ("1234", oss_b_cstr.str());

POSIX系関数

使用禁止関数一覧

禁止関数 代替え
alloca() コンテナ
asctime() strftime()
asctime_r() strftime()
bcmp()
bcopy()
brk()
bzero()
ctermid()
ctime() strftime()
ctime_r() strftime()
cuserid()
ecvt()
execl() execle(), execve()
execlp() execle(), execve()
execv() execle(), execve()
execvp() execle(), execve()
fattach()
fcvt()
fdetach()
ftw()
gcvt()
getc()
getchar()
getgrgid() getgrgir_r()
getgrnam() getgrnam_r()
getitimer()
getlogin() getlogin_r()
getmsg()
getopt()
getpmsg()
getpwuid() getpwuid_r()
getpwnam() getpwnam_r()
gets() fgets()
getitimer() timer_gettime()
gettimeofday() clock_gettime()(戻り値を確認すること)
getw()
getwd()
gmtime() gmtime_r()
index()
ioctl() (stropts.hに定義されているもの)
isascii()
isastream()
localtime() localtime_r()
_longjmp()
mktemp()
popen() execle(), execve()
pthread_getconsurrency()
pthread_setconcurrency()
putc()
putchar()
putenv() に autoな変数のポインタ setenv()
putmsg()
putpmsg()
rand() srand()
rand_r() srand()
readdir() readdir_r()
rindex()
sbrk()
scanf() sscanf()
_setjmp()
setpgrp()
settimer() timer_settimer()
sighold() pthread_sigmask() または sigprocmask()
sigignore()
siginterrupt()
signal() signalfd()
sigpause() sigsuspend()
sigrelse() pthread_sigmask() または sigprocmask()
sigset() sigaction()
sigstack()
strcpy() strncpy()
strcat() strncat()
strlen() strnlen()
strtok()
sprintf() snprintf()
system() execle(), execve()
tempnam() tmpfile(), mkdtemp(), mkstemp()
tmpnam() tmpfile(), mkdtemp(), mkstemp()
toascii()
_tolower() tolower()
_toupper() toupper()
ttyname() ttyname_r()
ttyslot()
ulimit() getrlimit(), setrlimit()
utime() utimensat()
utimes()
valloc()
vfork() fork()
vsprintf() vsnprintf()
wcscat() wcsncat()
wcscpy() wcsncpy()

使用禁止関数の理由や注意点

バッファオーバーランを引き起こしやすい関数
    gets(), scanf(), strcpy(), strcat(), sprintf(), vsprintf(), wcscat(), wcscpy()
コマンドインジェクション防止
    execl(), execlp(), execv(), execvp(), popen(), system()
obsolete関数
    asc_time(), asctime_r(), ctime(), ctime_r(), fattach(), fdetach(), ftw(), getitimer(),
    getmsg(), getpmsg(), gets(), settimer(), gettimeofday(), ioctl() in stropts.h for stream,
    isascii(), isastream(), _longjmp(),
    pthread_getconsurrency(), pthread_setconcurrency(), putmsg(), putpmsg(), rand_r(),
    _setjmp(), settimer(),
    setpgrp(), sighold(), sigignore(), siginterrupt(), sigpause(), sigrelse(), sigset(),
    strlen(), _tolower(), _toupper(), tempnam(), tmpnam(), toascii(), ulimit(), utime()
LEGACY関数
    sigstack(), cuserid(), getopt(), getw(), ttyslot(), valloc(), ecvt(), fcvt(), 
    gcvt(), mktemp(), bcmp(), bcopy(), bzero(), index(), rindex(), utimes(), getwd(),
    brk(), sbrk(), rand()
スレッドセーフでない関数
    asctime(), ctime(), getgrgid(), getgrnam(), getlogin(), getpwuid(), getpwnam(), gmtime(),
    localtime(), ttyname(), 
    ctermid(), tmpnam() (引数がNULLのとき、非リエントラントになる)
標準外関数等
扱いが難しい関数

典型的な注意点

リソースリークを引き起こしやすい関数
シンボリックリンクの検査
strncpy(), strncat()の終端
TOCTOU (Time Of Check, Time Of Use)
メモリアロケーション
    malloc(), realloc(), free()
非同期シグナル

その他

assertion

    //  example/programming_convention/etc.cpp 12

    template <uint32_t SIZE>
    struct POD {
        POD() noexcept
        {  // 何らかの理由で、10を超えるSIZEをサポートしたくない。
            static_assert(SIZE < 10, "too big");
        }

        uint32_t mem[SIZE];
    };

    void f() noexcept
    {
        POD<3> p3;             // コンパイル可能
        auto   p4 = POD<4>{};  // コンパイル可能
        // POD<10> p10;        // static assertion failed: too big でコンパイルエラー
        // POD<11> p11;        // static assertion failed: too big でコンパイルエラー
    }

アセンブラ

言語拡張機能

    //  example/programming_convention/etc.cpp 38

    #if defined(__clang__)
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_UNUSED_PRIVATE_FIELD \
        _Pragma("clang diagnostic ignored \"-Wunused-private-field\"")
    #else
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_UNUSED_PRIVATE_FIELD
    #endif

    #define SUPPRESS_WARN_GCC_BEGIN _Pragma("GCC diagnostic push")
    #define SUPPRESS_WARN_GCC_END _Pragma("GCC diagnostic pop")
    #define SUPPRESS_WARN_GCC_NOT_EFF_CPP _Pragma("GCC diagnostic ignored \"-Weffc++\"")
    #define SUPPRESS_WARN_GCC_UNUSED_VAR _Pragma("GCC diagnostic ignored \"-Wunused-variable\"")

    //
    // ...
    //

    SUPPRESS_WARN_GCC_BEGIN;
    SUPPRESS_WARN_GCC_UNUSED_VAR;
    SUPPRESS_WARN_GCC_NOT_EFF_CPP;
    SUPPRESS_WARN_CLANG_UNUSED_PRIVATE_FIELD;

    class A {
    public:
        A() noexcept
        {
            // 警告: 'PragmaSample::A::b_' should be initialized in
            //       the member initialization list [-Weffc++]
            // 警告: unused variable 'c' [-Wunused-variable]
            // のようなワーニングが出力される。

            int32_t c;
            b_ = 0;
        }

    private:
        int32_t a_{0};
        int32_t b_;
    };

    SUPPRESS_WARN_GCC_END;

特に重要なプログラミング規約

本章で取り上げた規約は、重要度という観点で様々なレベルのものが混在するため量も多く、 すぐに実践することが難しいかもしれない。 そういった場合には、まずは特に重要な下記リストを守ることから始めるのが良いだろう。

コード解析

本ドキュメントでは、ソースコードの品質を向上するために下記のような様々な方法を推奨する。

ツールによるコード解析(以下、単にコード解析と呼ぶ)とは、 開発対象のソフトウェアの仕様とは無関係に発見できるバグやその類、セキュリティホール、 コーディングルール不順守、その他のソースコード記述の問題を発見するための検出手段であり、 動的、静的に分類される。 静的コード解析には、以下のようなものがある。

  1. ソースコードの記述自体の解析
  2. 実行形式バイナリコードの解析
  3. 各種メトリクスやリバースエンジニアリングツールを用いた解析

本章では、無償のオープンソースで実施できる静的解析1と動的解析について解説を行う。


この章の構成

   コンパイラによる静的解析
   scan-buildによる静的解析
   cppcheck静的解析
   sanitizerによる動的解析
   まとめ

このドキュメントの構成に戻る。


コンパイラによる静的解析

コンパイラによる静的解析とは、コンパイラの警告出力を使用する解析である。 静的解析の中で最も手軽に実施することができるが、 意外なほど多くのソフトウェア開発でおざなりにされている。

多くのコンパイラでは警告をエラーとして扱うオプションが用意されているため、 それをオンにしたビルドをすることで、多くのバグやバグの元となり得るコードを排除できる。

g++の警告機能

本ドキュメントのサンプルコードは、 以下のようなg++/clang++の警告機能を使用してビルドを行っている。

    -Werror -Wall -Wextra -Weffc++

また、演習で使用するコードに関しては、あえて問題のあるコードを記述するため、 下記のようなオプションを使用し一部の警告を抑止している。

    //  exercise/programming_convention_q/Makefile 4
     
    SUPPRESS_WARN=-Wno-effc++ -Wno-unused-variable -Wno-delete-incomplete -Wno-unused-function \
                  -Wno-sizeof-array-argument -Wno-unused-parameter -Wno-conversion-null \
                  -Wno-literal-conversion

実際のコードによりこの効果を例示する。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 24

    int32_t  x{-1};
    uint32_t y{1};

    bool b0{x < y};
    ASSERT_FALSE(b0);  // 数学では成立する x < y が成立しない

    ++x, ++y;
    bool b1{x < y};
    ASSERT_TRUE(b1);  // x、yが正になれば x < y が成立する

上記コードでは、int32_tであるxとuint32_tであるyを比較することにより、xがuin32_tに型変換されるため、 数学的には自明な x < y が成立しない。 「整数型」で述べたルールに違反したために発生する問題であるが、 その検出はg++により下記のように行うことができる。

    //  example/code_analysis/warnings/GCC.txt 2

    code_analysis.cpp:29:15: warning: comparison of integer expressions of different signedness:int32_t{aka ‘int’} anduint32_t{aka ‘unsigned int’} [-Wsign-compare]
       29 |     bool b0{x < y};
          |             ~~^~~
    code_analysis.cpp:33:15: warning: comparison of integer expressions of different signedness:int32_t{aka ‘int’} anduint32_t{aka ‘unsigned int’} [-Wsign-compare]
       33 |     bool b1{x < y};
          |             ~~^~~

次のコードは、Pimplパターンの誤った実装よってメモリリークを引き起こす (「delete」参照)。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 46

    class Pimpl {
    public:
        Pimpl();
        ~Pimpl() { delete core_; }  // 不完全型のdelete
    private:
        class PimplCore;
        PimplCore* core_;
    };

    class Pimpl::PimplCore {
    public:
        PimplCore() : x_{new X} {}
        ~PimplCore() { delete x_; }  // ~PimplCore()から呼び出されない

    private:
        X* x_;
    };

    Pimpl::Pimpl() : core_{new PimplCore} {}

    void incomplete_class()
    {
        // ~Pimpl()では、クラスPimplCoreが不完全型なので~PimplCore()が呼び出されないため、
        // x_の解放がされずメモリリークする
        auto pimpl = Pimpl{};
    }

このように連続的に記述されている場合は、コードインスペクションで発見できるかもしれないが、 クラスの規模がある程度大きくなれば、このような問題を目視で発見することは容易ではない。 一方でg++は下記のように、いとも簡単にそれを指摘する。

    //  example/code_analysis/warnings/GCC.txt 20

    code_analysis.cpp: In destructor ‘Pimpl::~Pimpl():
    code_analysis.cpp:51:16: warning: possible problem detected in invocation of ‘operator delete’ [-Wdelete-incomplete]
       51 |     ~Pimpl() { delete core_; }  // 不完全型のdelete
          |                ^~~~~~~~~~~~
    code_analysis.cpp:51:23: warning: invalid use of incomplete type ‘class Pimpl::PimplCore’
       51 |     ~Pimpl() { delete core_; }  // 不完全型のdelete
          |                       ^~~~~
    code_analysis.cpp:53:11: note: forward declaration of ‘class Pimpl::PimplCore’
       53 |     class PimplCore;
          |           ^~~~~~~~~

また、「move処理」 で触れたようなパフォーマンスに悪影響のある下記のようなコードに対しても、 g++は適切な指摘をすることができる。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 76

    std::string prevent_copy_elision()
    {
        auto ret = std::string{"prevent copy elision"};

        return std::move(ret);  // std::moveのためにRVOが阻害される
    }

    void rvo_inhibition()
    {
        // RVOが機能すればstd::stringのコンストラクタは一度だけ呼び出される
        std::string a = prevent_copy_elision();
    }
    //  example/code_analysis/warnings/GCC.txt 45

    code_analysis.cpp: In function ‘std::string prevent_copy_elision():
    code_analysis.cpp:82:21: warning: moving a local object in a return statement prevents copy elision [-Wpessimizing-move]
       82 |     return std::move(ret);  // std::moveのためにRVOが阻害される
          |            ~~~~~~~~~^~~~~
    code_analysis.cpp:82:21: note: remove ‘std::move’ call

clang++の警告機能

clang++にもg++と同様の優れた警告機能が備わっているが、それらは実装が異なるため、 下記のような混乱を引き起こすコードに対して(「オーバーライド」参照)、 clang++は、g++ができない問題点の指摘を行うことができる。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 92

    class OverloadVirtualBase {
    public:
        OverloadVirtualBase()          = default;
        virtual ~OverloadVirtualBase() = default;
        virtual void DoSomething(int32_t) noexcept  // 派生クラスがオーバーライドできる。
        {
            ...
        }
    };

    class OverloadVirtualDerived : public OverloadVirtualBase {
    public:
        // シグネチャが異なるためOverloadVirtualBase::DoSomethingのオーバーライドではない。
        virtual void DoSomething(uint32_t) noexcept
        {
            ...
        }
    };
    //  example/code_analysis/warnings/CLANG.txt 19

    code_analysis.cpp:108:18: warning: 'OverloadVirtualDerived::DoSomething' hides overloaded virtual function [-Woverloaded-virtual]
        virtual void DoSomething(uint32_t) noexcept
                     ^
    code_analysis.cpp:98:18: note: hidden overloaded virtual function 'OverloadVirtualBase::DoSomething' declared here: type mismatch at 1st parameter ('int32_t' (aka 'int') vs 'uint32_t' (aka 'unsigned int'))
        virtual void DoSomething(int32_t) noexcept  // 派生クラスがオーバーライドできる。

こういった問題があるため、両コンパイラによるコンパイルを薦める。

scan-buildによる静的解析

scan-buildはclang++をベースにした静的解析ツールであり、 コンパイラの警告機能では指摘できないバグやバグの元となり得るコードを指摘できる。

まずは、問題のあるコードを以下に示す。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 115

    class IllegalShallowCopy {
    public:
        IllegalShallowCopy() : x_{new X} {}
        ~IllegalShallowCopy() { delete x_; }

    private:
        X* x_;
    };

    void illegal_shallow_copy()
    {
        auto a = IllegalShallowCopy{};
        auto b = IllegalShallowCopy{};

        a = b;  // a.x_ = b.x_が行われるため、代入前のa.x_は解放されず、
                // 代入後のb.x_は2度deleteされる
    }

上記クラスIllegalShallowCopyは、オブジェクトをnewにより生成し、そのポインタをメンバ変数として持つ。 このようなクラスに対してはディープコピーを実装するか、 オブジェクトのコピーを禁止すべきであることは、「コンストラクタ」で述べた通りである。

こういったコードに対して、g++/clang++はその問題を発見できないが、 scan-buildは下記のように適切な指摘を行うことができる。

    //  example/code_analysis/warnings/scan-build.txt 1

    code_analysis.cpp:120:29: warning: Attempt to free released memory [cplusplus.NewDelete]
        ~IllegalShallowCopy() { delete x_; }
                                ^~~~~~~~~

次に示すのは、 「RAII(scoped guard)」に従わなかったために発生した潜在的バグを含んだコードである。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 138

    void potential_leak()
    {
        X* x{new X};

        if (global == 2) {  // globalが2ならメモリリーク
            return;
        }

        delete x;
    }

こういったコードに対しても以下に示す通り適切なメッセージを出力する。

    //  example/code_analysis/warnings/scan-build.txt 7

    code_analysis.cpp:145:9: warning: Potential leak of memory pointed to by 'x' [cplusplus.NewDeleteLeaks]
            return;
            ^~~~~~

scan-buildは以下のような方法で簡単に使用できるため、 C++でのソフトウェア開発における必須アイテムの一つであるといえる。

    > scan-build make

cppcheck静的解析

cppcheckはscan-buildと同様な静的解析ツールであり、 コンパイラの警告機能では指摘できないバグやバグの元となり得るコードを指摘できる。

まずは、問題のあるコードを以下に示す。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 152

    int32_t array_access(int32_t index)
    {
        uint32_t array[8]{};

        return array[index];
    }

    void array_stask_read_overflow()
    {
        array_access(8);  // off-by-1 このようなコードは意外なほど多い
    }

問題は、配列への不正アクセスであり、これは未定義動作につながる典型的なバグであるが、 scan-buildでは発見できない。

cppcheckはこういったコードに対して以下に示す通り適切なメッセージを出力する。

    //  example/code_analysis/warnings/cppcheck.txt 1

    code_analysis.cpp:158:17: error: Array 'array[8]' accessed at index 8, which is out of bounds. [arrayIndexOutOfBounds]
        return array[index];
                    ^
    code_analysis.cpp:163:18: note: Calling function 'array_access', 1st argument '8' value is 8
        array_access(8);  // off-by-1 このようなコードは意外なほど多い
                     ^
    code_analysis.cpp:158:17: note: Array index out of bounds
        return array[index];
                    ^

このバグは、後述するsanitizerで発見できるものの、静的解析で発見できた方が当然ながら好ましい。

cppcheckは以下のような方法で簡単に使用できるため、 C++でのソフトウェア開発における必須アイテムの一つであるといえる。

    > bear make --always-make       # compile_commands.jsonの生成
    > cppcheck --project=compile_commands.json 2> cppcheck_bugs.txt

sanitizerによる動的解析

本ドキュメントで扱うsanitizerとは、無償で利用できるC/C++動的解析ツールである。 sanitizerオプションをオンにしたg++/clang++でテスト対象をビルドし、 生成された実行形式バイナリを駆動することで使用することができる。

サンプルコードをsanitizerで解析するために使用したg++/clang++のコンパイルオプションを以下に示す。

    -fsanitize=address,leak,undefined,float-divide-by-zero,float-cast-overflow

これらのオプションは、g++/clang++共通である。

このオプションを使用した実行形式コードがどのように動作するのかを例示するために、 まずは、動的解析対象のコードを下記する。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 167

    class NonVirtualDestructorBase {
    public:
        NonVirtualDestructorBase() noexcept {}
        ~NonVirtualDestructorBase() { std::cout << __func__ << std::endl; }
    };

    class NonVirtualDestructorDerived : public NonVirtualDestructorBase {
    public:
        NonVirtualDestructorDerived(char const* str) : str_{std::make_unique<std::string>(str)} {}
        ~NonVirtualDestructorDerived() { std::cout << __func__ << std::endl; }
        std::string const& Get() const noexcept { return *str_; }

    private:
        std::unique_ptr<std::string> str_;
    };

    void non_virtual_destructor()
    {
        // ~NonVirtualDestructorBase()が非virtualであるため、aの解放時に~NonVirtualDestructorDerived()
        // が呼び出されないことによってNonVirtualDestructorDerived::str_はリークする。
        std::unique_ptr<NonVirtualDestructorBase> a{std::make_unique<NonVirtualDestructorDerived>("D")};
    }

上記コードは、「継承/派生」で説明した内容(基底クラスのデストラクタはvirtual)に反するため、 メモリ管理にstd::unique_ptr<>を使用しているにもかかわらずメモリリークを引き起こす。 g++/clang++/scan-build/cppcheckはこの問題を指摘できないが、 sanitizerは以下のような出力によりメモリリークを指摘することができる。

    //  example/code_analysis/warnings/sanitizer.txt 4

    ==4691==ERROR: AddressSanitizer: new-delete-type-mismatch on 0x602000000410 in thread T0:
      object passed to delete has wrong type:
      size of the allocated type:   8 bytes;
      size of the deallocated type: 1 bytes.
        #0 0x7f79c7b5422f in operator delete(void*, unsigned long) ../../../../src/libsanitizer/asan/asan_new_delete.cpp:172
        #1 0x55aae7e44f4f in std::default_delete<NonVirtualDestructorBase>::operator()(NonVirtualDestructorBase*) const /usr/include/c++/11/bits/unique_ptr.h:85
        #2 0x55aae7e42954 in std::unique_ptr<NonVirtualDestructorBase, std::default_delete<NonVirtualDestructorBase> >::~unique_ptr() /usr/include/c++/11/bits/unique_ptr.h:361
        #3 0x55aae7e37129 in non_virtual_destructor() /home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/code_analysis.cpp:190
        #4 0x55aae7e3b7fd in exec_background(void (*)()) /home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/code_analysis.cpp:366
        #5 0x55aae7e3ba66 in all() /home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/code_analysis.cpp:378
        #6 0x55aae7e3baf0 in CodeAnalysis_others_Test::TestBody() /home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/code_analysis.cpp:382
        #7 0x55aae7e919e0 in void testing::internal::HandleSehExceptionsInMethodIfSupported<testing::Test, void>(testing::Test*, void (testing::Test::*)(), char const*) (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x969e0)
        #8 0x55aae7e8986c in void testing::internal::HandleExceptionsInMethodIfSupported<testing::Test, void>(testing::Test*, void (testing::Test::*)(), char const*) (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x8e86c)
        #9 0x55aae7e63623 in testing::Test::Run() (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x68623)
        #10 0x55aae7e64050 in testing::TestInfo::Run() (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x69050)
        #11 0x55aae7e649af in testing::TestSuite::Run() (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x699af)
        #12 0x55aae7e74162 in testing::internal::UnitTestImpl::RunAllTests() (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x79162)
        #13 0x55aae7e92b03 in bool testing::internal::HandleSehExceptionsInMethodIfSupported<testing::internal::UnitTestImpl, bool>(testing::internal::UnitTestImpl*, bool (testing::internal::UnitTestImpl::*)(), char const*) (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x97b03)
        #14 0x55aae7e8ab12 in bool testing::internal::HandleExceptionsInMethodIfSupported<testing::internal::UnitTestImpl, bool>(testing::internal::UnitTestImpl*, bool (testing::internal::UnitTestImpl::*)(), char const*) (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x8fb12)
        #15 0x55aae7e72859 in testing::UnitTest::Run() (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x77859)
        #16 0x55aae7ea90aa in RUN_ALL_TESTS() (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0xae0aa)
        #17 0x55aae7ea9023 in main (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0xae023)
        #18 0x7f79c6f38d8f  (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x29d8f)
        #19 0x7f79c6f38e3f in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x29e3f)
        #20 0x55aae7e35204 in _start (/home/ichiro/ichiroprogrammer/comprehensive_cpp/example/code_analysis/sanitizer/example.exe+0x3a204)

    ...

    SUMMARY: AddressSanitizer: new-delete-type-mismatch ../../../../src/libsanitizer/asan/asan_new_delete.cpp:172 in operator delete(void*, unsigned long)

次に示すコードは、型が違うインスタンスへの代入によりオーバーフローを起こしてしまう例である。 先に示したコード同様、 g++/clang++/scan-build/cppcheckでは指摘されない問題がsanitizerにより指摘される。

    //  example/code_analysis/code_analysis.cpp 386

    float x{0x1'0000'0000};
    // int32_t y{x};  // yのレンジを超えるため、コンパイルエラー
    int32_t y = x;
    //  example/code_analysis/warnings/sanitizer.txt 585

    code_analysis.cpp:390:17: runtime error: 4.29497e+09 is outside the range of representable values of type 'int'

sanitizerは以上に示した通り極めて優れたバグ検出能力を持つが、 動的解析の特性からソースコードに上記のようなバグがあってもそれが実行されなければ、 そのバグは指摘されない。

また、このような指摘をするためのコードは実行形式バイナリの中にコンパイル時に組み込まれるため、 以下のような問題が発生する。

このためプログラミングの最中に行われる動作確認や手作業でのシステムテスト(特に組み込みソフトウェア) に用いる実行形式バイナリにsanitizerを適用することは難しい。

従って、CI(継続的インテグレーション)の一環で行われる 自動単体テスト自動統合テストでのsanitizerの使用を薦める。

まとめ

以上で述べてきたようにコード解析ツールにはそれぞれ得手不得手があり、完璧なものは存在しないため、 これらを組み合わせてコード品質の向上に努める必要があるが、 これらの実施が各プログラマによって個別に行われるのであれば、 コンパイル時間の増大等による新たなロスが発生する。

上記や「CI項目の例」で述べたように自動化によって、こういったロスを回避しつつ、 様々なコード解析ツールを組み合わせて使用することが効率的なプロセスの要件となる。

コーディングスタイル

スタイルが統一されていないソースコードは、それだけで可読性に劣るため、 スタイルの統一は重要であるが、それにこだわりすぎれば、不毛な宗教論争が発生してしまう。 そのようなロスを避けスタイルを定めたとしても、その遵守が目視、手作業によって行われるならば、 これもまた新たなロスになる。

こういった状況に陥ることなくソースコードの記述スタイルを統一するために、 本ドキュメントでは「clang-formatを使い、デフォルトのスタイルを適切に定め、 必要なら多少のカスタマイズを行い、それに従う」ことを推奨する。

以下は、clang-formatを使えない場合のスタイルの指針である。


この章の構成

   インデント
    インデント用文字
    if、for、while、do-whileのインデント
    ブロックのインデント
    case、defaultのインデント

   ブロック(波括弧({}))
   関数シグネチャ内の’()’
   クラスのアクセスレベル
   スペース
    文の後
    コンマの後
    単項演算子、二項演算子、三項演算子の前後
    不要なブランク文字

   三項演算子のスタイル
   ポインタ型やリファレンス型インスタンスの宣言、定義の*や&の場所
   行数・桁数
    関数の行数
    行のカラム数

   ブロックの論理レベル
   名前空間
   clang-format

このドキュメントの構成に戻る。


インデント

インデント用文字

    //  example/etc/coding_style.cpp 13

    int32_t f0() noexcept
    {
      auto var_x = 0;          // NG インデントが2スペース
      return var_x;
    }

    int32_t f1() noexcept
    {
            auto var_x = 0;    // NG インデントが8スペース
            return var_x;
    }

    int32_t f2() noexcept
    {
        int32_t var_x{0};        // NG  インデントがハードタブ
        return var_x;
    }

    int32_t f3() noexcept
    {
        auto var_x = 0;        // OK
        return var_x;
    }

if、for、while、do-whileのインデント

ブロックのインデント

case、defaultのインデント

    //  example/etc/coding_style.cpp 47

    switch (var_a) {
    case 1: {                   // OK
        var_b = 1;
        break;
    }
        case 2:                 // NG caseのインデントはswitchと同じカラム
            {                   // NG {は"case 2: "の直後
                var_b = 2;
                break;
            }                   // NG caseと同じカラム
    case 3:
    var_b = 3;                  // NG caseから1インデント下げる
    break;
    case 4: var_b = 4;          // NG caseの行にそのまま処理を続けない
        break;
    default:                    // OK
        break;
    }

ブロック(波括弧({}))

    //  example/etc/coding_style.cpp 76

    void f0(int32_t var_x, int32_t* var_y) noexcept { // NG {の前に改行
        if (var_x == 0)
        {                                   // NG
            *var_y = 0;
        }
        else
        {                                   // NG
            *var_y = 10;
        }
        return;
    }

    void f1(int32_t var_x, int32_t* var_y) noexcept
    {                                       // OK
        if (var_x == 0) {                   // OK
            *var_y = 0;
        }
        else {                              // OK
            *var_y = 1;
        }
        return;
    }

    void f2(int32_t var_x, int32_t* var_y) noexcept
    {                                       // OK
        if (var_x > 0)                      // NG )の後の改行不要
        {
            *var_y = 0;
        }

        if (var_x == 0)                     // NG )の後の改行不要
        {
            *var_y = 0;
        }
        else {                              // OK
            var_x = 3;
        }

        if (var_x == 0)                     // NG
        {
            *var_y = 0;
        } else                              // NG else前に改行。後ろは1スペース開けて{
        {                                   //    
            var_x = 3;
        }

        if (var_x == 0)                     // NG if文と同じ行に{
        {
            *var_y = 0;
        }
        else                                // NG 
        {
            *var_y = 3;
        }

        return;
    }

関数シグネチャ内の’()’

    //  example/etc/coding_style.cpp 140

    void function();            // OK
    void function(int32_t foo,  // OK
                  int32_t bar);
    void funcction(             // OK 
            int32_t foo,
            int32_t bar
            );
    void function(int32_t hoge
                  );            // NG
    void function               // NG (は関数の直後
            (
             int32_t hoge,
             char  foo
             );

クラスのアクセスレベル

    //  example/etc/coding_style.cpp 161

    class A {
        public:         // NG
            void B();
    private:            // OK
        void C();
    };

スペース

文の後

    //  example/etc/coding_style.cpp 177

    for (;;) {                          // OK forの後ろにはスペース
        ...
    }

    for(;;){                            // NG forの後ろにはスペース
        ...
    }

    try {                               // OK tryの後ろにはスペース
        ...
    }
    catch (std::exception const& e) {   // OK catchの後ろと{の前にはスペース
        ...
    }

    try{                                // NG tryの後ろにはスペース
        ...
    }
    catch(std::exception const& e){     // NG catchの後ろと{の前にはスペース
        ...
    }

    g();                                // OK 関数の後ろにはスペース無し

    g ();                               // NG

コンマの後

    //  example/etc/coding_style.cpp 220

    for (int32_t i{0}, j{0}; i + j < 10; ++i, ++j) {  // OK
        ...
    }

    for (int32_t i{0},j{0}; i + j < 10; ++i,++j) {    // NG ,の後ろにはスペース
        ...
    }

    g("%d print tooooooooooooooooooooooooooooooooo many characters.",
      a);                                // OK ,の直後、スペース無し ↑

単項演算子、二項演算子、三項演算子の前後

    //  example/etc/coding_style.cpp 241

    var_a=0;                        // NG
    var_a = 0;                      // OK

    var_b[ 1 ] = 1;                 // NG
    var_b[2] = 1;                   // OK

    var_c+=3;                       // NG
    var_c += 3;                     // OK

    if(var_a == *var_b) {           // OK
        return var_d .c_str();      // NG
    }
    else {
        return var_d.c_str() + 1;   // OK
    }

不要なブランク文字

三項演算子のスタイル

    //  example/etc/coding_style.cpp 265

    auto ret = condition ? x : y;  // ワンライナーが基本

    auto ret2 = (a > b) ? x        // 行が長すぎる場合
                        : y;
    //  example/etc/coding_style.cpp 278

    auto max = (a > b) ? a :
               (b > c) ? b : 
               (c > d) ? c : 
               ...
                         x;

ポインタ型やリファレンス型インスタンスの宣言、定義の*や&の場所

    //  example/etc/coding_style.cpp 299

    char* a;  // OK
    char *b;  // NG 型の直後に*

    int32_t& j{i};  // OK
    //  example/etc/coding_style.cpp 306

    char*   c, d;  // NG dはchar*ではない
    int32_t e, f;  // NG

行数・桁数

関数の行数

行のカラム数

ブロックの論理レベル

    //  example/etc/coding_style.cpp 394

    void DoSomethingNG() noexcept  // NG
    {
        Buffer_t* buff{new Buffer_t};           // NG 抽象度が低すぎる
                                                //
        buff->len  = 1024;                      //
        buff->buff = new uint8_t[buff->len];    //
        std::memset(buff->buff, 0, buff->len);  //

        ReadFromStream(*buff);
        WriteToStorage(*buff);

        DestroyBuffer(buff);
    }

    void DoSomethingOK() noexcept  // OK
    {
        Buffer_t* buff = PrepareBuffer();

        ReadFromStream(*buff);
        WriteToStorage(*buff);

        DestroyBuffer(buff);
    }

名前空間

    //  example/etc/coding_style.cpp 423
    namespace event {

    class A {  // インデントなし
        ...
    };

    ...

    namespace {

    void f() noexcept;  // インデントなし
    ...

    }  // namespace

    ...
    }  // namespace event

clang-format

参考のために、サンプルソースコードに適用している.clang-formatを例示する。

    //  .clang-format 1

    # default
    BasedOnStyle: Google

    # indents
    AccessModifierOffset: -4
    IndentCaseLabels: false
    IndentWidth: 4
    NamespaceIndentation: None

    # alignment
    AlignConsecutiveAssignments: true
    AlignConsecutiveDeclarations: true
    AlignOperands: true
    AlignTrailingComments: true

    #IncludeBlocks: Regroup
    IncludeCategories:
      - Regex:           '^<.*\.h>'
        Priority:        -10
      - Regex:           '^<'
        Priority:        -9
      - Regex:           'gtest_wrapper\.h'
        Priority:        -8
      - Regex:           'h/.*'
        Priority:        -7 
      - Regex:           '.*'
        Priority:        -6 
    SortIncludes: true

    # new line
    AllowShortCaseLabelsOnASingleLine: false
    AllowShortFunctionsOnASingleLine: All
    AllowShortBlocksOnASingleLine: false
    BreakBeforeBinaryOperators: All
    BreakBeforeBraces: Custom
    BraceWrapping:
        AfterClass: false
        AfterControlStatement: false
        AfterEnum: false
        AfterFunction: true
        AfterNamespace: false
        AfterObjCDeclaration: false
        AfterStruct: false
        AfterUnion: false
        AfterExternBlock: false
        BeforeCatch: true
        BeforeElse: true
    ColumnLimit: 100

    # space
    DerivePointerAlignment: false
    PointerAlignment: Left

命名規則

平凡なプログラマでもソースコードを介してコンパイラにその意図を伝えることはできる。 優れたプログラマはそれに加えて、 ソースコードを「他のプログラマに自分の意図を伝えるためのコミュニケーション手段」と位置づけ、 「ソフトウェア構成物(識別子、ファイル等)への適切な命名」 を重要なプログラミング技法の一つであると考える。

適切な命名とは、少なくとも下記のようなものである。

このような技法は、簡単に習得できることではないが、 すべてのプログラマは、このことに細心の注意を払い、 可読性の高いソースコードを作り出すための努力を怠ってはならない。

なお、これ以降この章では、主に名前の形式についてのルールを定める。


この章の構成

   禁止事項
    略語リスト
    言葉の対称性

   識別子の命名
    ファイル、ディレクトリの命名
    ファイル名
    ディレクトリ名
    型名
    定数名
    ローカル変数名(自動変数名、仮引数名、関数内static変数名)
    メンバ変数名
    メンバ関数名
    Accessorメンバ関数名
    関数名
    名前空間名
    テンプレート名
    テンプレートの仮引数名
    マクロ名
    その他の命名則

このドキュメントの構成に戻る。


禁止事項

    //  example/etc/naming.cpp 12

    int32_t     _max;           // NG
    int32_t     max;            // OK
    void        _func();        // NG
    void        func();         // OK

    #define     _FOO_BAR_H_     // NG
    #define     FOO_BAR_H_      // OK
    //  example/etc/naming.cpp 25

    int32_t s32_read_counter;  // NG
    int32_t read_counter;      // OK
    //  example/etc/naming.cpp 32

    int32_t name1;         // NG
    int32_t name2;         // NG
    int32_t utf16code;     // OK
    int32_t storage1K;     // OK
    bool    image1_onoff;  // image1が正式な名前ならOK
    //  example/etc/naming.cpp 42

    int32_t acnt;            // NG
    int32_t account;         // OK
    int32_t sig_handler;     // NG
    int32_t signal_handler;  // OK

    // その他やってしまいがちな例
    // ctrl     ->  control
    // no       -> number
    // ttl      -> total
    // cb       -> callback
    // fn       -> function, func
    //  example/etc/naming.cpp 59

    // NGの例 一見同じに見える
    class XxxCallBack {
        ...
    };

    class XxxCallback {
        ...
    };

略語リスト

プロジェクト独自の略語については下記のようなテーブルを作り、 ソースコードと同じリポジトリで管理する。

略語 正式名称
cmd command
fd file descriptor
lhs left-hand side
num number
prev previous
proc process
ptr pointer
rhs right-hand side
str std::stringのオブジェクト名
thd std::threadのオブジェクト名
uniq unique

言葉の対称性

「始まり」に対しては「終わり」であり、「開始」に対しては「終了」である。 これと同様に対称的な意味をもつ識別子に対して、 正確な対義語を使うことは重要であり、良い命名をするための一つの方法である。

プログラミングにおいてよく使われる対義語リストを下記する。

対応語 意味
add/subtract 加減算
add/delete 追加/削除
attach/detach オブサーバ登録/解除
begin/end 位置
first/last 順番
front/back 位置
get/set Accessor
lock/unlock
new/old
open/close
previous(prev)/next
push/pop スタック処理
send/receive(recv)
set up/tear down    
source/destination(src/dst) 「先」と「元」
start/stop 開始/停止
under/over
up/down
upper/lower
lhs/rhs 左右

識別子の命名

コードの可読性に大きな影響を与える識別子名はパッケージ外部(「パッケージの実装と公開」参照) に公開されるクラス名、関数名、名前空間名である。

クラス名、関数名、名前空間名に良い名前を与えるためにこの章が存在するのだが、 執筆中にchatgptが公開されため、 識別子名の体裁(キャメルスタイル等)を決めること以外に説明することがほとんどなくなった。

筆者がよく使う「識別子の命名をするためのchatgptでのプロンプト」を紹介する。

[依頼1]上記の説明にふさわしいクラス名、関数名をそれぞれ2,3個づつ挙げよ。

納得できる名前を挙げるまで繰り返すことになるが、通常2,3回の施行で良い名前が決められる。 トライ&エラーに備えて、できればcopiloteでなくchatgptを使うべきだろう。

[依頼2]「上記で定めたクラス名、関数名」を宣言するための名前空間名を考えよ。

以下は命名についての議論ではないが、AIの使い方に触れたので、コード生成についても少し言及する。

クラス名、関数名まで決められれば、セッションをそのまま使用しコードの生成をさせることができる。 この際、クラスのコメント関数のコメントのフォーマットをchapgptに伝えれば、 より良いコードが作られる。問題点を修正し、それをchatgptにに張り付け、 単体テストをgtestで書くように依頼すれば、単体テスト付きのコードが入手できる。

ファイル、ディレクトリの命名

ファイル名、ディレクトリ名は、ソフトウェアを構成するパッケージや、 それらの構造から強い影響を受けるため、「パッケージとその構成ファイル」 で定めたルールが守られていなければ、ファイル、ディレクトリへの適切な命名は困難である。 従って、ここで定める命名ルールに従っていないソースコードをベースとした開発、 保守を行っているプログラマが、そのソースコードをここでの名称ルールに従わせる場合、 まずは「パッケージとその構成ファイル」の順守から始めなければならない。

[注意] ほとんどのバージョン管理システムはファイル名、ディレクトリ名の大文字小文字を区別するが、 OSによっては、その区別がないものがあるため、この違いがトラブルを発生させることがある。 それを避けるために、ファイル名、ディレクトリ名には大文字を使わない方が良い。

ファイル名

    // クラス名
    class XxxController;

    // ファイル名
    xxx_controller.cpp       // OK XxxControllerの定義
    xxx_controller.h         // OK XxxControllerの宣言、定義
    XxxController.cpp        // NG
    XxxController.h          // NG

    xxx_controller_ut.cpp    // OK xxx_controller.cppの単体テストのソースコードのファイル名

ディレクトリ名

型名

    //  example/etc/naming.cpp 73

    class XxxController;                     // OK
    class xxx_control;                       // NG
    struct SomeStruct;                       // OK
    enum class SomeEnumeration;              // OK
    enum class some_enumeration;             // OK
    using Container = std::vector<int32_t>;  // OK
    class TCP_IP;                            // OK

定数名

    //  example/etc/naming.cpp 86

    constexpr int SOME_CONSTANT{0};  // NG  定数
    constexpr int SomeConstant{0};   // OK  定数

    struct Xxx {
        static constexpr int SOME_CONSTANT{0};  // NG  定数
        static constexpr int SomeConstant{0};   // OK  定数
    };

    template <typename T>
    constexpr bool IsSameAsXxxV = std::is_same_v<Xxx, T>;  // OK 定数テンプレート

ローカル変数名(自動変数名、仮引数名、関数内static変数名)

メンバ変数名

    //  example/etc/naming.cpp 102

    class Foo {
    private:
        int32_t read_counter;   // NG
        int32_t read_counter_;  // OK
        int32_t m_ReadCounter;  // NG
    };

    struct Hoo {
        int32_t bar;   // OK
        int32_t bar_;  // NG
    };
    //  example/etc/naming.cpp 117

    enum class SignalType {
        RED,    // NG
        Green,  // OK
        yellow  // NG
    };

メンバ関数名

    //  example/etc/naming.cpp 125

    class Fee {
    public:
        void PrintMessage();   // OK
        void Print_Message();  // NG _は不要
        bool WatchdogExit();   // NG ExitByWatchdog等の方が良い
        bool DoSomething();    // OK
        bool doSomething();    // NG

    private:
        bool print_system_message_async();  // OK privateで非同期
        void do_something();                // OK
    };

Accessorメンバ関数名

接頭語 意味
is xxxか? signal.IsRed()
get xxxを返せ signal.GetSignal()
set xxxを設定せよ signal.SetSignal(signal_color)
can xxxはできるか? signal.CanTurnOn()
has xxxを持っているか? signal.HasLed()
    //  example/etc/naming.cpp 140

    class Fii {
    public:
        int32_t GetFoo() const noexcept;      // OK 変数の値の取得
        void    SetFoo(int32_t foo) noexcept  // OK 変数に値を設定
        {
            foo_ = foo;  // OK setterの仮引数はメンバ名から'\_'を除いたもの
        }

        bool IsCurrency() const noexcept;        // OK bool値の問い合わせ
        bool IsGettableMemory() const noexcept;  // OK
        bool HasHoge() const noexcept;           // OK
        bool CanGet() const noexcept;            // OK
        bool CheckHoge() const noexcept;         // NG true/falseの意味が明確でない

    private:
        int32_t foo_;
    };

関数名

名前空間名

テンプレート名

テンプレートの仮引数名

マクロ名

その他の命名則

    //  example/etc/naming.cpp 160

    class StringCollector {  // OK 文字列の集合を扱うことを示す
    public:
        std::vector<std::string> const& GetStrings() const;  // OK 戻り値が集合であることを示す
        std::vector<std::string> const& GetString() const;   // NG 複数形にしてvectorであることを
                                                             //    示すべき
    private:
        std::vector<std::string> strings_;  // OK インスタンスが集合であることを示す
        std::vector<std::string> string_;   // NG
    };
    //  example/etc/naming.cpp 175

    // 下記例のXXX_YYY_R0は、XXX回路のYYYサブ回路のR0レジスタを表す。
    volatile auto& XXX_YYY_R0 = *reinterpret_cast<uint32_t*>(0x1300'0000);
    volatile auto& XXX_YYY_R1 = *reinterpret_cast<uint32_t*>(0x1300'0100);
    volatile auto& XXX_YYY_Q0 = *reinterpret_cast<uint32_t*>(0x1300'0200);
    volatile auto& XXX_ZZZ_R0 = *reinterpret_cast<uint32_t*>(0x1400'0200);
    //  example/etc/naming.cpp 183

    // OK DataFormatterという概念のインターフェース クラス
    class DataFormatterIF {
        ...
    };

    // OK DataFormatterという概念の具象クラスDataFormatterXml。XmlDataFormatterとしない。
    class DataFormatterXml final : public DataFormatterIF {
        ...
    };

    // OK DataFormatterという概念の具象クラスDataFormatterCsv。CsvDataFormatterとしない。
    class DataFormatterCsv final : public DataFormatterIF {
        ...
    };

コメント

コメントの目的は、複雑怪奇なソースコードのエクスキューズでない。 ソースコードから読み取れない情報や、ソースコードのサマリーを書くべきである。

このドキュメントの構成に戻る。
___

この章の構成

   情報を付加しないコメント
   コメントのスタイル
    クラスのコメント
    関数のコメント
    enumのコメント
    型エイリアスのコメント
    template仮引数のコメント

情報を付加しないコメント

以下のような情報を付加しないコメントは無駄であるだけではなく、可読性に悪影響を与える場合もあるため、 避けるべきである。

  1. 「ファイルの最後に、ファイルの最後を示すEnd of file」、 「sleep(1)に対しての、1秒待つ」のようなコメントは、見れば明らかであるため不要である。
  2. ソースコードのコメントアウト(#if 0等を含む)をしない。
  3. リポジトリが保持している情報(annotate等)をコメントに含めない。

特に2、3のコメントを書くプログラマは、バージョン管理システムに未習熟である可能性が高い。 そういうプログラマには、バージョン管理システムの書籍を読ませることを推奨する。

コメントのスタイル

有償、無名もしくは、日本でしか使われていないコメントフォーマットやそのツールを使うべきではない。 本ドキュメントでは、doxygenを推奨する。

doxygenフォーマットの各要素に対する書き方を例示する。

クラスのコメント

    //  example/etc/comment.cpp 9

    /// @brief ディレクトリ配下の特定のファイルをリカーシブに探して、その一覧を返すクラス
    class FileFinder {
    public:

関数のコメント

    //  example/etc/comment.cpp 42

    /// @brief 条件にマッチしたファイルをリカーシブに探して返す
    /// @param is_match どのようなファイルかをラムダ式で指定する
    /// @return 条件にマッチしたファイル名をvector<string>で返す
    std::vector<std::string> FindFileRecursively(IsMatch is_match);

enumのコメント

    //  example/etc/comment.cpp 20

    /// @enum FileSort
    /// FindFileRecursivelyの条件
    enum class FileSort {
        File,              ///< pathがファイル
        Dir,               ///< pathがディレクトリ
        FileNameHeadIs_f,  ///< pathがファイル且つ、そのファイル名の先頭が"f"
    };

型エイリアスのコメント

    //  example/etc/comment.cpp 36

    /// @typedef IsMatch
    /// @brief   FindFileRecursivelyの仮引数の型
    using IsMatch = std::function<bool(std::filesystem::path const&)>;

template仮引数のコメント

    //  example/etc/comment.cpp 62

    /// @brief BASIC_TYPEで指定する基本型のビット長を持つ固定小数点を扱うためのクラス
    /// @tparam BASIC_TYPE       全体のビット長や、符号を指定するための整数型
    /// @tparam FRACTION_BIT_NUM 小数点保持のためのビット長
    template <typename BASIC_TYPE, uint32_t FRACTION_BIT_NUM>
    class FixedPoint {
    public:
        FixedPoint(BASIC_TYPE                                integer  = 0,
                   typename std::make_unsigned_t<BASIC_TYPE> fraction = 0) noexcept
            : value_{get_init_value(integer, fraction)}
        {
            ...
        }

SOLID

SOLIDとは、オブジェクト指向(OOD/OOP)プログラミングにおいて特に重要な下記の5つの原則である。

このドキュメントの構成に戻る。


単一責任の原則(SRP)

単一責任の原則(SRP, Single Responsibility Principle)とは、

というクラスデザイン上の制約である。

下記クラスSentenceHolderNotSRPは、一見問題ないように見えるが、std::stringの保持と、 その出力という二つの責務を持つため、SRP違反である。

    //  example/solid/srp_ut.cpp 27

    class SentenceHolderNotSRP {
    public:
        SentenceHolderNotSRP()  = default;
        ~SentenceHolderNotSRP() = default;

        void Add(std::string const& sentence) { sentence_ += sentence; }

        std::string const& Get() const noexcept { return sentence_; }

        void Save(std::string const& file)
        {
            std::ofstream o{file};
            o << sentence_;
        }

        void Display() { std::cout << sentence_; }

    private:
        std::string sentence_{};
    };

実践的にはこの程度の単純なクラスでのSRP違反が問題になることは少ないが、 下記のコメントで示す通り、単体テストの実施が困難になる。

    //  example/solid/srp_ut.cpp 53

    auto not_srp = SentenceHolderNotSRP{};

    not_srp.Add("haha\n");
    not_srp.Add("hihi\n");
    not_srp.Add("huhu\n");

    // SRPに従っていないため、テストが面倒
    not_srp.Save(not_srp_text_);  // not_srp_text_への書き込み

    auto ifs       = std::ifstream{not_srp_text_};
    auto ifs_begin = std::istreambuf_iterator<char>{ifs};
    auto ifs_end   = std::istreambuf_iterator<char>{};
    auto act       = std::string{ifs_begin, ifs_end};  // not_srp_text_ファイルの読み出し

    ASSERT_EQ("haha\nhihi\nhuhu\n", act);

    // SRPに従っていないため、テストできない
    not_srp.Display();

クラスSentenceHolderNotSRPの二つの責務をクラスSentenceHolderSRPと、 Output()に分離したコード実装例を下記する。

    //  example/solid/srp_ut.cpp 75

    class SentenceHolderSRP {
    public:
        SentenceHolderSRP()  = default;
        ~SentenceHolderSRP() = default;

        void Add(std::string const& sentence) { sentence_ += sentence; }

        std::string const& Get() const noexcept { return sentence_; }

    private:
        std::string sentence_{};
    };

    // SRPに従うために、
    //    SentenceHolderNotSRP::Save(), SentenceHolderNotSRP::Display()
    // をクラスの外に出し、さらに仮引数に出力先(std::ostream&)を追加してこの2関数を統一。
    void Output(SentenceHolderSRP const& sentence_holder, std::ostream& o)
    {
        o << sentence_holder.Get();
    }

下記のコードで示したように、この分離の効果で単体テストの実施が容易になった。

    //  example/solid/srp_ut.cpp 101

    auto srp = SentenceHolderSRP{};

    srp.Add("haha\n");
    srp.Add("hihi\n");
    srp.Add("huhu\n");

    // SRPに従ったことで、ファイル操作やstd::coutへの操作が不要になり、単体テストの実施が容易
    auto act = std::ostringstream{};
    Output(srp, act);

    ASSERT_EQ("haha\nhihi\nhuhu\n", act.str());

演習-SRP

オープン・クローズドの原則(OCP)

オープン・クローズドの原則(OCP, Open-Closed Principle)とは、

というクラスデザイン上の制約である。

まずは、アンチパターンから示す。

    //  example/solid/ocp_ut.cpp 14

    class TransactorGoogle {
    public:
        static bool Pay(Yen price) noexcept
        {
            ...
        }

        static bool Charge(Yen price) noexcept
        {
            ...
        }
    };

    class TransactorSuica {
        ...
    };

    class TransactorEdy {
    public:
        ...
    };

    class TransactorNotOCP {
    public:
        enum class TransactionMethod { Google, Suica, Edy };

        explicit TransactorNotOCP(TransactionMethod pay_method) noexcept : pay_method_{pay_method} {}

        ...
        bool Charge(Yen price) noexcept
        {
            switch (pay_method_) {
            case TransactionMethod::Google:
                return TransactorGoogle::Charge(price);
            case TransactionMethod::Suica:
                return TransactorSuica::Charge(price);
                ...
            }
        }

        bool Pay(Yen price) noexcept
        {
            switch (pay_method_) {
            case TransactionMethod::Google:
                return TransactorGoogle::Pay(price);
            case TransactionMethod::Suica:
                return TransactorSuica::Pay(price);
                ...
            }
        }
        ...
    };

Transaction Method(enum TransactionMethod)が増えた場合、 少なくとも3か所に手を入れなけばならなくなる(修正に対してclosedでない)。 従って、下記のTransactorNotOCP::Charge()や、TransactorNotOCP::Pay()は Transaction Methodの追加、変更に対して、脆弱な構造だと言える。

次に上記ソースコードのクラス図を下記する。

クラス図が示す通り、 TransactorNotOCPは、TransactorGoogle, TransactorSuica, TransactorEdy (Transaction Methodに対応した具体的なクラス)に強く依存する。 したがって、新たなTransactor Methodが追加されれば、 Transaction Methodを使用しているTransactorNotOCPのすべてのメンバ関数は影響を受ける。 この構造は、上位概念が下位概念に依存しているとも言えるため、 後述する「依存関係逆転の原則(DIP)」にも反している。

下記は、TransactorIFを導入することによって、上例をOCPに沿うように改善したクラス図と実装である。 TransactorOCPは、TransactorIFの効果によりTransaction Methodの追加に対して全く影響を受けなくなった (実際には、TransactorIFから派生する具象クラスの生成用Factory関数(「Factory」参照) が必要になるため全く影響がないわけではないが、 そのような箇所はソースコード全体でただ一つにすることができるため、 Transaction Methodの追加に対して強固な構造になったと言える)。

下記にこのクラス図に従ったコードを示す。

    //  example/solid/ocp_ut.cpp 122

    class TransactorIF {
    public:
        ...
        bool Charge(Yen price) noexcept { return charge(price); }
        bool Pay(Yen price) noexcept { return pay(price); }

    private:
        virtual bool charge(Yen price) = 0;
        virtual bool pay(Yen price)    = 0;
    };

    class TransactorGoogle : public TransactorIF {
        ...
    };

    class TransactorSuica : public TransactorIF {
        ...
    };

    class TransactorEdy : public TransactorIF {
        ...
    };

    class TransactorOCP {
    public:
        explicit TransactorOCP(std::unique_ptr<TransactorIF>&& transactor) noexcept
            : transactor_{std::move(transactor)}
        {
        }

        bool Charge(Yen price) noexcept { return transactor_->Charge(price); }

        bool Pay(Yen price) noexcept { return transactor_->Pay(price); }

    private:
        std::unique_ptr<TransactorIF> transactor_;
    };

ここでは、この原則に沿う実装方法としてポリモーフィズムを使うパターンを紹介したが、 Pimplのようにラッピングを使用するパターンも有用である。

演習-OCP

リスコフの置換原則(LSP)

リスコフの置換原則(LSP, Liskov Substitution Principle)とは、

というクラスデザイン上の制約であり、 この制約を守るために下記のような契約プログラミングを行うことが求められる。

この原則に従わない実装例を示すために、以下のようなクラスRectangleとその派生クラスSquareを定義する。

    //  example/solid/lsp.h 5

    /// @brief (0, 0) からの矩形を表す
    class Rectangle {
    public:
        explicit Rectangle(int x, int y) noexcept : x_{x}, y_{y} {}
        ...
        void SetX(int x) noexcept
        {
            auto temp = y_;
            set_x(x);
            assert(temp == y_);  // 「set_xはy_に影響を与えない」が事後条件
        }
        ...

    protected:
        virtual void set_x(int x) noexcept { x_ = x; }

        ...

    private:
        int x_;
        int y_;
    };

    /// @brief (0, 0) からの正方形を表す
    class Square : public Rectangle {
    public:
        explicit Square(int x) noexcept : Rectangle{x, x} {}
        ...
    protected:
        virtual void set_x(int x) noexcept override
        {
            Rectangle::set_x(x);
            Rectangle::set_y(x);
        }

        virtual void set_y(int y) noexcept override { set_x(y); }
    };

Rectangleのリファレンスを受け取るSetX()とその単体テストを以下のようにすると、 Rectangleのテストでは問題は起こらないが、同じことをSquareに行うとアボートしてしまう (下記例ではASSERT_DEATHを使用しアボートすることを確認している)。

    //  example/solid/lsp_ut.cpp 13

    void SetX(Rectangle& rect, int x) noexcept { rect.SetX(x); }

    TEST(LSP_Opt, violation_abort)
    {
        // Rectangleのテスト
        auto rect = Rectangle{0, 0};
        SetX(rect, 3);
        ASSERT_EQ(3, rect.GetX());

        // Squareのテスト
        auto square = Square{0};
        ASSERT_DEATH(SetX(square, 3), "");  // ここでRectangle::SetX()の中のassert()がfailする。
    }

上記コードがアボート(assertion fail)してしまったのは

が原因である。このデザイン上の問題には目をつぶり(Rectangle、Squareを修正せずに)、 しかもアボートしないSetX()の実装を考えてみよう。

SetX()は仮引数で渡されたオブジェクトの実際の型がわからなければアボートを避けることはできない。 従って、 新しいSetX()のコード実装例は以下のようになる。

    //  example/solid/lsp_ut.cpp 32

    void SetX(Rectangle& rect, int x) noexcept
    {
        if (dynamic_cast<Square*>(&rect) != nullptr) {
            rect = Square(x);
        }
        else {
            // rectの型は、Rectangle
            rect.SetX(x);
        }
    }

    TEST(LSP, violation_not_abort)
    {
        // Rectangleのテスト
        auto rect = Rectangle{0, 0};
        SetX(rect, 3);
        ASSERT_EQ(3, rect.GetX());

        // Squareのテスト
        auto square = Square{0};
        SetX(square, 3);  // assert()はfailしない。
        ASSERT_EQ(3, square.GetX());
    }

上記の新たなSetX()は、アボートはしないがきわめて醜悪且つ、 Rectangleの全派生クラスに依存した、変更に弱い関数となる。

なお、リスコフの置換原則とは関係しないが、上記のdynamic_castを含むSetX()は、 下記のように修正することができる。

    //  example/solid/lsp_ut.cpp 61

    void SetX(Rectangle& rect, int x) noexcept
    {
        auto y = rect.GetY();
        rect   = Rectangle(x, y);
    }

このSetX()は、Rectangleからの派生クラスに依存していないため、良い解法に見える。 ところが実際にはオブジェクトのスライシングという別の問題を引き起こす。

例示した問題は結局のところデザインの誤りが原因であり、それを修正しない限り、 問題の回避は容易ではない。

一般に、継承関係は、IS-Aの関係と呼ばれる。数学の世界では「正方形 is a 長方形」であるため、 この関係を継承で表したのだが、 「Rectangle::SetX()の性質より導き出されたRectangle::set_x()の事後条件」 により、「クラスSquare is NOT a クラスRectangle」となり、 SquareとRectangleは継承関係ではないため問題が発生した。

継承を用いなければこのような問題は発生しないため、public継承を使用する際には、 「本当にその関係は継承で表すべきか(それが最もシンプルな方法か)?」 について熟慮する必要がある。

なお、エクセプション記述子は、関数のエクセプション仕様を強制的にLSPに従わせる仕組みであるが、 C++11から非推奨になり、C++17では規格から削除された。 その理由は、 「非推奨だった古い例外仕様を削除」 の説明の通り、これを使用し場合、OCPに違反する可能性が高いからである。 従って、原則に従うのみでなく、その他の原則とのバランスも考慮する必要がある。

演習-LSP

インターフェース分離の原則(ISP)

インターフェース分離の原則 (ISP, Interface Segregation Principle)とは、

というクラスデザイン上の制約である。

まずは、ISPに従っていない例を示す。 下記のStreamReadWriterは、ClientRからはStreamReadWriter::Read()のみが、 ClientWからはStreamReadWriter::Write()のみが使用されている。

ほとんどのStreamReadWriter使用ファイルでこのような依存関係がある場合、 このクラスは下記のようにStreamReaderとStreamWriterに分割した方が良い(依存関係が小さくなる)。

クラスの設計時に統合か分割かで悩むことは多いが、一度統合してしまえば分割は困難であり、 逆に分割されたものを統合することは容易である。このことを考慮すれば、 このような逡巡に解を与えることは簡単である。言うまでもないが、「まずは分割」が原則である。

演習-ISP

依存関係逆転の原則(DIP)

依存関係逆転の原則 (DIP, Dependency Inversion Principle)とは、

というクラス デザイン上の制約である。

下記ServerNG::Serverは、ClientNG::Clientに非同期サービスを提供する (従って、ServerNG::ServerはClientNG::Clientに対して上位概念である)。

非同期サービスであるServerNG::Server::RequireStringAsync()の完了は ServerNG::ServerがClientNG::Client::Done()を呼び出すことにより通知される。
その実装、使用例を下記に示す。

    //  example/solid/dip_server_ng.h 10

    namespace ServerNG {
    class Server {
    public:
        Server();
        void RequireStringAsync(ClientNG ::Client& client) noexcept;
        ...
    };
    }  // namespace ServerNG
    //  example/solid/dip_server_ng.cpp 6

    namespace ServerNG {
    namespace {
    void dispatch(ClientNG::Client& client)  // コマンドのディスパッチ
    {
        switch (client.GetNum()) {
        case 1:
            client.Done(new std::string{"hello"});
            break;
        case 2:
            client.Done(new std::string{"good bye"});
            break;
            ...
        }
    }

    void thread_entry(Pipe& pipe)  // サーバーのスレッド関数
    {
        for (;;) {
            ClientNG::Client* client{nullptr};
            auto const        ret = pipe.Read(&client, sizeof(client));
            assert(ret == sizeof(client));

            if (client == nullptr) {  // nullptr受信でサーバー終了
                break;
            }

            dispatch(*client);
        }
    }
    }  // namespace
    ...

    void Server::RequireStringAsync(ClientNG::Client& client) noexcept
    {
        void const* const buff{&client};

        auto ret = pipe_.Write(&buff, sizeof(buff));
        assert(ret == sizeof(&client));
    }
    ...
    }  // namespace ServerNG
    //  example/solid/dip_client_ng.h 10

    namespace ClientNG {
    class Client {
    public:
        explicit Client(ServerNG::Server& server) noexcept : server_{server}, pipe_{}, num_{0} {}

        std::string GetString(uint32_t num);

        void Done(std::string* str) noexcept  // サーバーからクライアントへのコマンド終了通知
        {
            auto const ret = pipe_.Write(&str, sizeof(str));
            assert(ret == sizeof(str));
        }

        ...
    };
    }  // namespace ClientNG
    //  example/solid/dip_client_ng.cpp 3

    namespace ClientNG {
    std::string Client::GetString(uint32_t num)
    {
        set_num(num);
        server_.RequireStringAsync(*this);

        return *wait_done();  // 非同期通知待ち
    }

    std::unique_ptr<std::string> Client::wait_done()
    {
        std::string* str{nullptr};
        auto const   ret = pipe_.Read(&str, sizeof(str));
        assert(ret == sizeof(str));

        return std::unique_ptr<std::string>{str};
    }
    }  // namespace ClientNG
    //  example/solid/dip_ut.cpp 11

    TEST(DIP, ng_pattern)
    {
        auto server = ServerNG::Server{};
        auto client = ClientNG::Client{server};

        auto actual = client.GetString(1);
        ASSERT_EQ("hello", actual);

        actual = client.GetString(2);
        ASSERT_EQ("good bye", actual);

        actual = client.GetString(3);
        ASSERT_EQ("unknown", actual);
    }

上記ソースコードから明らかなようにServerNG::ServerとClientNG::Clientは相互に依存している。 このうちの一つはサーバがクライアントに依存(上位概念が下位概念に依存)する問題のある構造となっている。

このため、クライアントのバリエーションが増えた場合、容易にServerNG::Serverのコードは肥大化する。 また、ServerNG::Serverを介して各クライアント間にも(暗黙、明示両方の)依存関係が生まれやすいため、 ServerNG::Serverのコード修正は非常に困難になることが予想される。

次にDIPに従い上記コードを改善した例を示す。

    //  example/solid/dip_server_ok.h 7

    namespace ServerOK {
    class ClientIF {
    public:
        ClientIF() noexcept : num_{0} {}
        void Done(std::string* str) { done(str); }  // サーバーからクライアントへのコマンド終了通知
        ...
    private:
        virtual void done(std::string* str) = 0;
        ...
    };

    class Server {
    public:
        Server();
        void RequireStringAsync(ClientIF& client) noexcept;
        ...
    };
    }  // namespace ServerOK
    //  example/solid/dip_server_ok.cpp 5

    namespace ServerOK {
    namespace {
    void dispatch(ClientIF& client)  // コマンドのディスパッチ
    {
        switch (client.GetNum()) {
        case 1:
            client.Done(new std::string{"hello"});
            break;
        case 2:
            client.Done(new std::string{"good bye"});
            break;
            ...
        }
    }

    void thread_entry(Pipe& pipe)  // サーバーのスレッド関数
    {
        for (;;) {
            ClientIF*  client{nullptr};
            auto const ret = pipe.Read(&client, sizeof(client));
            assert(ret == sizeof(client));

            if (client == nullptr) {  // nullptr受信でサーバー終了
                break;
            }

            dispatch(*client);
        }
    }
    }  // namespace
    ...

    void Server::RequireStringAsync(ClientIF& client) noexcept
    {
        void const* const buff{&client};

        auto ret = pipe_.Write(&buff, sizeof(buff));
        assert(ret == sizeof(&client));
    }
    ...
    }  // namespace ServerOK
    //  example/solid/dip_client_ok.h 10

    namespace ClientOK {
    class Client : public ServerOK::ClientIF {
    public:
        explicit Client(ServerOK::Server& server) noexcept : ClientIF{}, server_{server}, pipe_{} {}

        std::string GetString(uint32_t num);

        ...
    };
    }  // namespace ClientOK
    //  example/solid/dip_client_ok.cpp 3

    namespace ClientOK {
    std::string Client::GetString(uint32_t num)
    {
        SetNum(num);
        server_.RequireStringAsync(*this);

        return *wait_done();  // 非同期通知待ち
    }

    std::unique_ptr<std::string> Client::wait_done()
    {
        std::string* str{nullptr};
        auto const   ret = pipe_.Read(&str, sizeof(str));
        assert(ret == sizeof(str));

        return std::unique_ptr<std::string>{str};
    }
    }  // namespace ClientOK
    //  example/solid/dip_ut.cpp 28

    // 使用方法は、ServerNG, ClientNGと同じ。
    TEST(DIP, ok_pattern)
    {
        auto server = ServerOK::Server{};
        auto client = ClientOK::Client{server};

        // 以下、ng_paternと同じ
        ...
    }

修正後のコードは、

このクラス図を以下に示す。

ServerNGとClientNGの双方向依存関係は、ClientOKからServerOKへの単方向依存関係へと改善され、 サーバに影響を与えることなく、クライアントの機能変更やバリエーション追加を行うことが可能となった。

演習-DIP

まとめ

以上で述べたように、SOLIDはオブジェクト指向(OOD/OOP)プログラミングにおいて極めて重要な原則である。 この逸脱はソースコードを劣化させ、ソフトウェアの品質低下や開発費増大に直結するため、 厳守することが求められる。

演習-SOLIDの定義

デザインパターン

ソースコードを劣化させるアンチパターンには、

等があるだろう。 こういった問題は、ひどいソースコードを書かないという強い意志を持ったプログラマの不断の努力と、 そのプログラマを支えるソフトウェア工学に基づいた知識によって回避可能である。 本章ではその知識の一翼をになうデザインパターン、イデオム等を解説、例示する。

なお、ここに挙げるデザインパターン、イデオム等は「適切な場所に適用される場合、 ソースコードをよりシンプルに記述できる」というメリットがある一方で、 「不適切な場所に適用される場合、ソースコードの複雑度を不要に上げてしまう」 という負の一面を持つ。

また、デザインパターン、イデオム等を覚えたてのプログラマは、 自分のスキルが上がったという一種の高揚感や顕示欲を持つため、 それをむやみやたらに多用してしまう状態に陥ることある。このようなプログラマの状態を

と呼ぶ。 猿になり不要に複雑なソースコードを書かないために、デザインパターン、イデオム等を使用する場合、 本当にそれが必要か吟味し、不要な場所への適用を避けなければならない。


この章の構成

   ガード節
   BitmaskType
   Pimpl
   Accessor
   Copy-And-Swap
   Immutable
   Clone(仮想コンストラクタ)
   NVI(non virtual interface)
   RAII(scoped guard)
   Future
   DI(dependency injection)
   Singleton
   State
   Null Object
   Templateメソッド
   Factory
   Named Constructor
   Proxy
   Strategy
   Visitor
   CRTP(curiously recurring template pattern)
   Observer
   MVC
   Cでのクラス表現

このドキュメントの構成に戻る。
___

ガード節

ガード節とは、 「可能な場合、処理を早期に打ち切るために関数やループの先頭に配置される短い条件文(通常はif文)」 であり、以下のような利点がある。

まずは、ガード節を使っていない例を上げる。

    //  example/design_pattern/guard_ut.cpp 24

    /// @brief a(配列へのリファレンス)の要素について、先頭から'a'が続く数を返す
    /// @param 配列へのリファレンス
    int32_t SequentialA(char const (&a)[3]) noexcept
    {
        if (a[0] == 'a') {
            if (a[1] == 'a') {
                if (a[2] == 'a') {
                    return 3;
                }
                else {
                    return 2;
                }
            }
            else {
                return 1;
            }
        }
        else {
            return 0;
        }
    }

上記の例を読んで一目で何が行われているか、理解できる人は稀である。 一方で、上記と同じロジックである下記関数を一目で理解できない人も稀である。

    //  example/design_pattern/guard_ut.cpp 77

    int32_t SequentialA(char const (&a)[3]) noexcept
    {
        if (a[0] != 'a') {  // ガード節
            return 0;
        }
        if (a[1] != 'a') {  // ガード節
            return 1;
        }
        if (a[2] != 'a') {  // ガード節
            return 2;
        }

        return 3;
    }

ここまで効果的な例はあまりない。

もう一例、(ガード節導入の効果が前例ほど明確でない)ガード節を使っていないコードを示す。

    //  example/design_pattern/guard_ut.cpp 48

    std::optional<std::vector<uint32_t>> PrimeNumbers(uint32_t max_num)
    {
        auto result = std::vector<uint32_t>{};

        if (max_num < 65536) {  // 演算コストが高いためエラーにする
            if (max_num >= 2) {
                auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_num + 1, true);  // falseなら素数でない
                is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;
                auto prime_num                    = 2U;  // 最初の素数

                do {
                    result.emplace_back(prime_num);
                    prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
                } while (prime_num < is_num_prime.size());
            }

            return result;
        }

        return std::nullopt;
    }

上記にガード節を適用した例を下記する。

    //  example/design_pattern/guard_ut.cpp 94

    std::optional<std::vector<uint32_t>> PrimeNumbers(uint32_t max_num)
    {
        if (max_num >= 65536) {  // ガード節。演算コストが高いためエラーにする。
            return std::nullopt;
        }

        auto result = std::vector<uint32_t>{};

        if (max_num < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない。
            return result;
        }

        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_num + 1, true);  // falseなら素数でない。
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;
        auto prime_num                    = 2U;  // 最初の素数

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

ガード節を使っていない例に比べて、

といった改善はされたものの、最初の例ほどのレベル差はない。 しかし、ソースコードの改善やリファクタリングのほとんどは、このようなものであり、 この少しのレベルアップが数か月後、数年後に大きな差を生み出すことを忘れてはならない。

演習-ガード節

BitmaskType

下記のようなビットマスク表現は誤用しやすいインターフェースである。 修正や拡張等に関しても脆弱であるため、避けるべきである。

    //  example/design_pattern/enum_operator.h 6

    class Animal {
    public:
        struct PhisicalAbility {  // オブジェクトの状態を表すためのビットマスク
            static constexpr auto Run  = 0b0001U;
            static constexpr auto Fly  = 0b0010U;
            static constexpr auto Swim = 0b0100U;
        };

        // paにはPhisicalAbilityのみを受け入れたいが、実際にはすべてのuint32_tを受け入れる。
        explicit Animal(uint32_t pa) noexcept : phisical_ability_{pa} {}

        uint32_t GetPhisicalAbility() const noexcept { return phisical_ability_; }
        ...
    };
    //  example/design_pattern/enum_operator_ut.cpp 13

    Animal dolphin{Animal::PhisicalAbility::Swim};  // OK
    ASSERT_EQ(Animal::PhisicalAbility::Swim, dolphin.GetPhisicalAbility());

    Animal uma{0xff};  // NG 誤用だが、コンストラクタの仮引数の型がuint32_tなのでコンパイル可能

上記のような誤用を防ぐために、 enumによるビットマスク表現を使用して型チェックを強化した例を以下に示す。 このテクニックは、STLのインターフェースとしても使用されている強力なイデオムである。

    //  example/design_pattern/enum_operator.h 30

    class Animal {
    public:
        enum class PhisicalAbility : uint32_t {
            Run  = 0b0001,
            Fly  = 0b0010,
            Swim = 0b0100,
        };

        explicit Animal(PhisicalAbility pa) noexcept : phisical_ability_{pa} {}

        PhisicalAbility GetPhisicalAbility() const noexcept { return phisical_ability_; }

    private:
        PhisicalAbility const phisical_ability_;
    };

    // &, | &=, |=, IsTrue, IsFalseの定義
    constexpr Animal::PhisicalAbility operator&(Animal::PhisicalAbility x,
                                                Animal::PhisicalAbility y) noexcept
    {
        return static_cast<Animal::PhisicalAbility>(static_cast<uint32_t>(x)
                                                    & static_cast<uint32_t>(y));
    }

    constexpr Animal::PhisicalAbility operator|(Animal::PhisicalAbility x,
                                                Animal::PhisicalAbility y) noexcept
    {
        return static_cast<Animal::PhisicalAbility>(static_cast<uint32_t>(x)
                                                    | static_cast<uint32_t>(y));
    }

    inline Animal::PhisicalAbility& operator&=(Animal::PhisicalAbility& x,
                                               Animal::PhisicalAbility  y) noexcept
    {
        return x = x & y;
    }

    ...
    //  example/design_pattern/enum_operator_ut.cpp 28

    // コンストラクタの仮引数の型が厳密になったためコンパイル不可
    // これにより誤用を防ぐ
    // Animal uma{0xff};

    // C++17から下記はコンパイル可能となったが、アクシデントでこのようなミスはしないだろう
    auto uma = Animal{Animal::PhisicalAbility{0xff}};

    auto dolphin = Animal{Animal::PhisicalAbility::Swim};
    ASSERT_EQ(Animal::PhisicalAbility::Swim, dolphin.GetPhisicalAbility());

    auto pa = Animal::PhisicalAbility{Animal::PhisicalAbility::Run};
    pa |= Animal::PhisicalAbility::Swim;

    auto human = Animal{pa};
    ASSERT_TRUE(IsTrue(Animal::PhisicalAbility::Run & human.GetPhisicalAbility()));

この改善により、Animalのコンストラクタに域値外の値を渡すことは困難になった (少なくとも不注意で間違うことはないだろう)。 この修正の延長で、Animal::GetPhisicalAbility()の戻り値もenumになり、これも誤用が難しくなった。

演習-BitmaskType

Pimpl

このパターンは、「クラスA(a.cpp、a.hで宣言、定義)を使用するクラスにAの実装の詳細を伝搬させたくない」 ような場合に使用する。 そのためオープン・クローズドの原則(OCP)の実装方法としても有用である。

一般的に、STLライブラリのパースは多くのCPUタイムを消費する。 クラスAがSTLクラスをメンバに使用し、a.hにそのSTLヘッダファイルがインクルードされた場合、 a.hをインクルードするファイルをコンパイルする度にそのSTLヘッダファイルはパースされる。 これはさらに多くのCPUタイムの消費につながり、ソースコード全体のビルドは遅くなる。 こういった問題をあらかじめ避けるためにも有効な手段ではあるが、 そのトレードオフとして実行速度は若干遅くなる。

下記は、Pimplイデオム未使用の、std::stringに依存したクラスStringHolderOldの例である。

    //  example/design_pattern/string_holder_old.h 3
    // このファイルには<string>が必要

    #include <memory>
    #include <string>

    class StringHolderOld final {
    public:
        StringHolderOld();

        void        Add(char const* str);
        char const* GetStr() const;

    private:
        std::unique_ptr<std::string> str_;
    };
    //  example/design_pattern/string_holder_old.cpp 1

    #include "string_holder_old.h"

    StringHolderOld::StringHolderOld() : str_{std::make_unique<std::string>()} {}

    void StringHolderOld::Add(char const* str) { *str_ += str; }

    char const* StringHolderOld::GetStr() const { return str_->c_str(); }

下記は、上記クラスStringHolderOldにPimplイデオムを適用したクラスStringHolderNewの例である。

    //  example/design_pattern/string_holder_new.h 3
    // このファイルには<string>は不要

    #include <memory>

    class StringHolderNew final {
    public:
        StringHolderNew();

        void        Add(char const* str);
        char const* GetStr() const;
        ~StringHolderNew();  // デストラクタは.cppで=defaultで定義

    private:
        class StringHolderNewCore;  // StringHolderNewの振る舞いは、StringHolderNewCoreに移譲
        std::unique_ptr<StringHolderNewCore> core_;
    };
    //  example/design_pattern/string_holder_new.cpp 1
    // このファイルには<string>が必要

    #include <string>

    #include "string_holder_new.h"

    class StringHolderNew::StringHolderNewCore final {
    public:
        StringHolderNewCore() = default;
        void Add(char const* str) { str_ += str; }

        char const* GetStr() const noexcept { return str_.c_str(); }

    private:
        std::string str_{};
    };

    StringHolderNew::StringHolderNew() : core_{std::make_unique<StringHolderNewCore>()} {}

    void StringHolderNew::Add(char const* str) { core_->Add(str); }

    char const* StringHolderNew::GetStr() const { return core_->GetStr(); }

    // この宣言、定義をしないと、StringHolderNewをインスタンス化した場所では、
    // StringHolderNewCoreが不完全型であるため、std::unique_ptrが実体化できず、コンパイルエラーとなる。
    // この場所であれば、StringHolderNewCoreは完全型であるためstd::unique_ptrが実体化できる。
    StringHolderNew::~StringHolderNew() = default;

下記図は、上記ファイルやそれらを使用するファイルの依存関係である。 string_holder_old.hは、std::stringに依存しているが、string_holder_new.hは、 std::stringに依存していないこと、 それによってStringHolderNewを使用するファイルから、std::stringへの依存を排除できていることがわかる。

このパターンを使用して問題のある依存関係をリファクタリングする例を示す。

まずは、リファクタリング前のコードを下記する。

    // in lib/h/widget.h

    #include "gtest/gtest.h"

    class Widget {
    public:
        void     DoSomething();
        uint32_t GetValue() const;
        // 何らかの宣言

    private:
        uint32_t gen_xxx_data(uint32_t a);
        uint32_t xxx_data_{1};
        FRIEND_TEST(Pimpl, widget_ng);  // 単体テストをfriendにする
    };
    // in lib/src/widget.cpp

    #include "widget.h"

    void Widget::DoSomething()
    {
        // 何らかの処理
        xxx_data_ = gen_xxx_data(xxx_data_);
    }

    uint32_t Widget::GetValue() const { return xxx_data_; }

    uint32_t WidgetNG::Widget::gen_xxx_data(uint32_t a) { return a * 3; }
    // in lib/ut/widget_ut.cpp

    #include "widget.h"

    TEST(Pimpl, widget_ng)
    {
        Widget w;

        ASSERT_EQ(1, w.xxx_data_);  // privateのテスト
        w.DoSomething();
        ASSERT_EQ(3, w.xxx_data_);        // privateのテスト
        ASSERT_EQ(9, w.gen_xxx_data(3));  // privateのテスト

        ASSERT_EQ(3, w.GetValue());
    }

何らかの事情により、単体テストでprivateなメンバにアクセスする必要があったため、 単体テストクラスをテスト対象クラスのfriendすることで、それを実現している。

単体テストクラスをテスト対象クラスのfriendにするためには、 上記コードの抜粋である下記を記述する必要がある。

        FRIEND_TEST(Pimpl, widget_ng);  // 単体テストをfriendにする

このマクロは、gtest.h内で定義されているため、widget.hからgtest.hをインクルードしている。

このため、ファイルの依存関係は下記のようになる。

この依存関係は、Widgetのクライアントに不要な依存関係を強要してしまう問題のある構造を作り出す。

この問題をPimplによるリファクタリングで解決したコードを以下に示す (コンパイラのインクルードパスにはlib/hのみが入っていることを前提とする)。

    // in lib/h/widget.h

    #include <memory>

    class Widget {
    public:
        Widget();   // widget_pimplは不完全型であるため、コンストラクタ、
        ~Widget();  // デストラクタはインラインにできない
        void     DoSomething();
        uint32_t GetValue() const;
        // 何らかの宣言

        struct widget_pimpl;  // 単体テストのため、publicとするが、実装はsrc/の下に置くため、
                              // 単体テスト以外の外部からのアクセスはできない

    private:
        std::unique_ptr<widget_pimpl> widget_pimpl_;
    };
    // in lib/src/widget.cpp

    #include "widget_internal.h"

    // widget_pimpl
    void Widget::widget_pimpl::DoSomething()
    {
        // 何らかの処理
        xxx_data_ = gen_xxx_data(xxx_data_);
    }

    uint32_t Widget::widget_pimpl::gen_xxx_data(uint32_t a) { return a * 3; }

    // Widget
    void     Widget::DoSomething() { widget_pimpl_->DoSomething(); }
    uint32_t Widget::GetValue() const { return widget_pimpl_->xxx_data_; }

    // ヘッダファイルの中では、widget_pimplは不完全型であるため、コンストラクタ、
    // デストラクタは下記に定義する
    Widget::Widget() : widget_pimpl_{std::make_unique<Widget::widget_pimpl>()} {}
    Widget::~Widget() = default;
    // in lib/src/widget_internal.h

    #include "widget.h"

    struct Widget::widget_pimpl {
        void     DoSomething();
        uint32_t gen_xxx_data(uint32_t a);
        uint32_t xxx_data_{1};
    };
    // in lib/ut/widget_ut.cpp

    #include "../src/widget_internal.h"  // 単体テストのみに、このようなインクルードを認める
    #include "gtest/gtest.h"

    TEST(Pimpl, widget_ok)
    {
        Widget::widget_pimpl wi;

        ASSERT_EQ(1, wi.xxx_data_);
        wi.DoSomething();
        ASSERT_EQ(3, wi.xxx_data_);
        ASSERT_EQ(9, wi.gen_xxx_data(3));

        Widget w;

        w.DoSomething();
        ASSERT_EQ(3, w.GetValue());
    }

このリファクタリングにより、ファイルの依存は下記のようになり、 問題のある構造は解消された。

演習-Pimpl

Accessor

publicメンバ変数とそれにアクセスするソースコードは典型的なアンチパターンであるため、 このようなコードを禁じるのが一般的なプラクティスである。

    //  example/design_pattern/accessor_ut.cpp 8

    class A {  // アンチパターン
    public:
        int32_t a_{0};
    };

    void f(A& a) noexcept
    {
        a.a_ = 3;

        // Do something
        ...
    }

とはいえ、ソフトウェアのプラクティスには必ずといってほど例外があり、 製品開発の現場において、オブジェクトのメンバ変数にアクセスせざるを得ないような場面は、 稀にではあるが発生する。 このような場合に適用するがのこのイデオムである。

    //  example/design_pattern/accessor_ut.cpp 28

    class A {  // Accessorの実装例
    public:
        void SetA(int32_t a) noexcept  // setter
        {
            a_ = a;
        }

        int32_t GetA() const noexcept  // getter
        {
            return a_;
        }

    private:
        int32_t a_{0};
        ...
    };

    void f(A& a) noexcept
    {
        a.SetA(3);

        // Do something
        ...
    }

メンバ変数への直接のアクセスに比べ、以下のようなメリットがある。

一方で、クラスに対するこのような細かい制御は、カプセル化に対して問題を起こしやすい。 下記はその典型的なアンチパターンである。

    //  example/design_pattern/accessor_ut.cpp 62

    class A {  // Accessorを使用して細かすぎる制御をしてしまうアンチパターン
    public:
        void SetA(int32_t a) noexcept  // setter
        {
            a_ = a;
        }

        int32_t GetA() const noexcept  // getter
        {
            return a_;
        }

        void Change(bool is_changed) noexcept  // setter
        {
            is_changed_ = is_changed;
        }

        bool IsChanged() const noexcept  // getter
        {
            return is_changed_;
        }

        void DoSomething() noexcept  // is_changed_がtrueの時に、呼び出してほしい
        {
            // Do something
            ...
        }
        ...
    };

    void f(A& a) noexcept
    {
        if (a.GetA() != 3) {
            a.SetA(3);
            a.Change(true);
        }

        ...
    }

    void g(A& a) noexcept
    {
        if (!a.IsChanged()) {
            return;
        }

        a.Change(false);
        a.DoSomething();  // a.IsChanged()がtrueの時に実行する。

        ...
    }

上記ソースコードは、オブジェクトaのA::a_が変更された場合、 その後、それをもとに何らかの動作を行うこと(a.DoSomething)を表しているが、 本来オブジェクトaの状態が変わったかどうかはオブジェクトa自体が判断すべきであり、 a.DoSomething()の実行においても、それが必要かどうかはオブジェクトaが判断すべきである。 この考えに基づいた修正ソースコードを下記に示す。

    //  example/design_pattern/accessor_ut.cpp 130

    class A {  // 上記アンチパターンからChange()とIsChanged()を削除し、状態の隠蔽レベルを強化
    public:
        void SetA(int32_t a) noexcept  // setter
        {
            if (a_ == a) {
                return;
            }

            a_          = a;
            is_changed_ = true;
        }

        void DoSomething() noexcept
        {
            if (!is_changed_) {
                return;
            }

            // Do something
            ...

            is_changed_ = false;  // 状態変更の取り消し
        }
        ...
    };

    void f(A& a) noexcept
    {
        a.SetA(3);

        ...
    }

    void g(A& a) noexcept
    {
        a.DoSomething();  // DoSomethingは無条件で呼び出す。
                          // 実際に何かをするかどうかは、オブジェクトaが決める。
        ...
    }

setterを使用する場合、上記のように処理の隠蔽化には特に気を付ける必要がある。

演習-Accessorの副作用
演習-Accessor

Copy-And-Swap

メンバ変数にポインタやスマートポインタを持つクラスに

が必要になった場合、コンパイラが生成するデフォルトの 特殊メンバ関数では機能が不十分であることが多い。

下記に示すコードは、そのような場合の上記4関数の実装例である。

    //  example/design_pattern/no_copy_and_swap_ut.cpp 8

    class NoCopyAndSwap final {
    public:
        explicit NoCopyAndSwap(char const* name0, char const* name1)
            : name0_{name0 == nullptr ? "" : name0}, name1_{name1 == nullptr ? "" : name1}
        {
        }

        NoCopyAndSwap(NoCopyAndSwap const& rhs) : name0_{rhs.name0_}, name1_{rhs.name1_} {}

        NoCopyAndSwap(NoCopyAndSwap&& rhs) noexcept
            : name0_{std::exchange(rhs.name0_, nullptr)}, name1_{std::move(rhs.name1_)}
        {
            // move後には、
            //  * name0_はnullptr
            //  * name1_はnullptrを保持したunique_ptr
            // となる。
        }

        NoCopyAndSwap& operator=(NoCopyAndSwap const& rhs)
        {
            if (this == &rhs) {
                return *this;
            }

            // copyコンストラクタのコードクローン
            name0_ = rhs.name0_;
            name1_ = rhs.name1_;  // ここでエクセプションが発生すると*thisが壊れる

            return *this;
        }

        NoCopyAndSwap& operator=(NoCopyAndSwap&& rhs) noexcept
        {
            if (this == &rhs) {
                return *this;
            }

            // moveコンストラクタのコードクローン
            name0_ = std::exchange(rhs.name0_, nullptr);
            name1_ = std::string{};  // これがないと、name1_の値がrhs.name1_にスワップされる
            name1_ = std::move(rhs.name1_);

            return *this;
        }

        char const*        GetName0() const noexcept { return name0_; }
        std::string const& GetName1() const noexcept { return name1_; }
        ~NoCopyAndSwap() = default;

    private:
        char const* name0_;  // 問題やその改善を明示するために、敢えてname0_をchar const*としたが、
                             // 本来ならば、std::stringかstd::string_viewを使うべき
        std::string name1_;
    };

コード内のコメントで示したように、このコードには以下のような問題がある。

ここで紹介するCopy-And-Swapはこのような問題を解決するためのイデオムである。

実装例を以下に示す。

    //  example/design_pattern/copy_and_swap_ut.cpp 6

    class CopyAndSwap final {
    public:
        explicit CopyAndSwap(char const* name0, char const* name1)
            : name0_{name0 == nullptr ? "" : name0}, name1_{name1 == nullptr ? "" : name1}
        {
        }

        CopyAndSwap(CopyAndSwap const& rhs) : name0_{rhs.name0_}, name1_{rhs.name1_} {}

        CopyAndSwap(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
            : name0_{std::exchange(rhs.name0_, nullptr)}, name1_{std::move(rhs.name1_)}
        {
            // move後には、
            //  * name0_はnullptr
            //  * name1_は""を保持したstd::string
            // となる。
        }

        CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap const& rhs)
        {
            if (this == &rhs) {
                return *this;
            }

            // copyコンストラクタの使用
            CopyAndSwap tmp{rhs};  // ここでエクセプションが発生しても、tmp以外、壊れない

            Swap(tmp);

            return *this;
        }

        CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
        {
            if (this == &rhs) {
                return *this;
            }

            CopyAndSwap tmp{std::move(rhs)};  // moveコンストラクタ

            Swap(tmp);

            return *this;
        }

        void Swap(CopyAndSwap& rhs) noexcept
        {
            std::swap(name0_, rhs.name0_);
            std::swap(name1_, rhs.name1_);
        }

        char const*        GetName0() const noexcept { return name0_; }
        std::string const& GetName1() const noexcept { return name1_; }
        ~CopyAndSwap() = default;

    private:
        char const* name0_;  // 問題やその改善を明示するために、敢えてname0_をchar const*としたが、
                             // 本来ならば、std::stringかstd::string_viewを使うべき
        std::string name1_;
    };

上記CopyAndSwapのcopyコンストラクタ、moveコンストラクタに変更はない。 また、CopyAndSwap::Swapに関してもstd::vector等が持つswapと同様のものである。 このイデオムの特徴は、copy代入演算子、 move代入演算子が各コンストラクタとSwap関数により実装されている所にある。 これによりエクセプション安全性の保証を持つ4関数をコードクローンすることなく実装できる。

演習-Copy-And-Swap

Immutable

クラスに対するimmutable、immutabilityの定義を以下のように定める。

immutabilityが高いほど、そのクラスの使用方法は制限される。 これにより、そのクラスやそのクラスを使用しているソースコードの可読性やデバッグ容易性が向上する。 また、クラスがimmutableでなくても、そのクラスのオブジェクトをconstハンドル経由でアクセスすることで、 immutableとして扱うことができる。

一方で、「Accessor」で紹介したsetterは、クラスのimmutabilityを下げる。 いつでも状態が変更できるため、ソースコードの可読性やデバッグ容易性が低下する。 また、マルチスレッド環境においてはこのことが競合問題や、 それを回避するためのロックがパフォーマンス問題やデッドロックを引き起こしてしまう。

従って、クラスを宣言、定義する場合、immutabilityを出来るだけ高くするべきであり、 そのクラスのオブジェクトを使う側は、 可能な限りimmutableオブジェクト(constオブジェクト)として扱うべきである。

演習-Immutable

Clone(仮想コンストラクタ)

オブジェクトコピーによるスライシングを回避するためのイデオムである。

下記は、オブジェクトコピーによるスライシングを起こしてしまう例である。

    //  example/design_pattern/clone_ut.cpp 8

    class BaseSlicing {
    public:
        ...
        virtual char const* Name() const noexcept { return "BaseSlicing"; }
    };

    class DerivedSlicing final : public BaseSlicing {
    public:
        ...
        virtual char const* Name() const noexcept override { return "DerivedSlicing"; }
    };

    TEST(Clone, object_slicing)
    {
        auto b = BaseSlicing{};
        auto d = DerivedSlicing{};

        BaseSlicing* b_ptr   = &b;
        BaseSlicing* b_ptr_d = &d;

        ASSERT_STREQ("BaseSlicing", b_ptr->Name());
        ASSERT_STREQ("DerivedSlicing", b_ptr_d->Name());

        *b_ptr = *b_ptr_d;  // コピーしたつもりだがスライシングにより、*b_ptrは、
                            // DerivedSlicingのインスタンスではなく、BaseSlicingのインスタンス

    #if 0
        ASSERT_STREQ("DerivedSlicing", b_ptr->Name());
    #else
        ASSERT_STREQ("BaseSlicing", b_ptr->Name());  // "DerivedSlicing"が返るはずだが、
                                                     // スライシングにより"BaseSlicing"が返る
    #endif
    }

下記は、上記にcloneイデオムを適用した例である。

    //  example/design_pattern/clone_ut.cpp 50

    // スライシングを起こさないようにコピー演算子の代わりにClone()を実装。
    class BaseNoSlicing {
    public:
        ...
        virtual char const* Name() const noexcept { return "BaseNoSlicing"; }

        virtual std::unique_ptr<BaseNoSlicing> Clone() { return std::make_unique<BaseNoSlicing>(); }

        BaseNoSlicing(BaseNoSlicing const&)            = delete;  // copy生成の禁止
        BaseNoSlicing& operator=(BaseNoSlicing const&) = delete;  // copy代入の禁止
    };

    class DerivedNoSlicing final : public BaseNoSlicing {
    public:
        ...
        virtual char const* Name() const noexcept override { return "DerivedNoSlicing"; }

        std::unique_ptr<DerivedNoSlicing> CloneOwn() { return std::make_unique<DerivedNoSlicing>(); }

        // DerivedNoSlicingはBaseNoSlicingの派生クラスであるため、
        // std::unique_ptr<DerivedNoSlicing>オブジェクトから
        // std::unique_ptr<BaseNoSlicing>オブジェクトへのmove代入可能
        virtual std::unique_ptr<BaseNoSlicing> Clone() override { return CloneOwn(); }
    };

    TEST(Clone, object_slicing_avoidance)
    {
        auto b = BaseNoSlicing{};
        auto d = DerivedNoSlicing{};

        BaseNoSlicing* b_ptr   = &b;
        BaseNoSlicing* b_ptr_d = &d;

        ASSERT_STREQ("BaseNoSlicing", b_ptr->Name());
        ASSERT_STREQ("DerivedNoSlicing", b_ptr_d->Name());

    #if 0
        *b_ptr = *b_ptr_d;                // コピー演算子をdeleteしたのでコンパイルエラー
    #else
        auto b_uptr = b_ptr_d->Clone();  // コピー演算子の代わりにClone()を使う。
    #endif

        ASSERT_STREQ("DerivedNoSlicing", b_uptr->Name());  // 意図通り"DerivedNoSlicing"が返る。
    }

B1::Clone()やそのオーバーライドであるD1::Clone()を使うことで、 スライシングを起こすことなくオブジェクトのコピーを行うことができるようになった。

演習-Clone

NVI(non virtual interface)

NVIとは、「virtualなメンバ関数をpublicにしない」という実装上の制約である。

下記のようにクラスBaseが定義されているとする。

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 7

    class Base {
    public:
        virtual bool DoSomething(int something) const noexcept
        {
            ...
        }

        virtual ~Base() = default;

    private:
        ...
    };

これを使うクラスはBase::DoSomething()に依存する。 また、このクラスから派生した下記のクラスDerivedもBase::DoSomething()に依存する。

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 26

    class Derived : public Base {
    public:
        virtual bool DoSomething(int something) const noexcept override
        {
            ...
        }

    private:
        ...
    };

この条件下ではBase::DoSomething()へ依存が集中し、この関数の修正や機能追加の作業コストが高くなる。 このイデオムは、この問題を軽減する。

これを用いた上記2クラスのリファクタリング例を以下に示す。

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 57

    class Base {
    public:
        bool DoSomething(int something) const noexcept { return do_something(something); }
        virtual ~Base() = default;

    private:
        virtual bool do_something(int something) const noexcept
        {
            ...
        }

        ...
    };

    class Derived : public Base {
    private:
        virtual bool do_something(int something) const noexcept override
        {
            ...
        }

        ...
    };

オーバーライド元の関数とそのオーバーライドのデフォルト引数の値は一致させる必要がある。

それに従わない下記のようなクラスとその派生クラス

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 105

    class NotNviBase {
    public:
        virtual std::string Name(bool mangled = false) const
        {
            return mangled ? typeid(*this).name() : "NotNviBase";
        }

        virtual ~NotNviBase() = default;
    };

    class NotNviDerived : public NotNviBase {
    public:
        virtual std::string Name(bool mangled = true) const override  // NG デフォルト値が違う
        {
            return mangled ? typeid(*this).name() : "NotNviDerived";
        }
    };

には下記の単体テストで示したような、 メンバ関数の振る舞いがその表層型に依存してしまう問題を持つことになる。

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 129

    NotNviDerived const d;
    NotNviBase const&   d_ref = d;

    ASSERT_EQ("NotNviDerived", d.Name(false));   // OK
    ASSERT_EQ("13NotNviDerived", d.Name(true));  // OK

    ASSERT_EQ("NotNviDerived", d_ref.Name(false));   // OK
    ASSERT_EQ("13NotNviDerived", d_ref.Name(true));  // OK

    ASSERT_EQ("13NotNviDerived", d.Name());    // mangled == false
    ASSERT_EQ("NotNviDerived", d_ref.Name());  // mangled == true

    ASSERT_NE(d.Name(), d_ref.Name());  // NG d_refの実態はdであるが、d.Name()と動きが違う

この例のように継承階層が浅く、デフォルト引数の数も少ない場合、 この値を一致させることは難しくないが、 これよりも遥かに複雑な実際のコードではこの一致の維持は困難になる。

下記のようにNVIに従わせることでこのような問題に対処できる。

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 148
    class NviBase {
    public:
        std::string Name(bool mangled = false) const { return name(mangled); }
        virtual ~NviBase() = default;

    private:
        virtual std::string name(bool mangled) const
        {
            return mangled ? typeid(*this).name() : "NviBase";
        }
    };

    class NviDerived : public NviBase {
    private:
        virtual std::string name(bool mangled) const override  // OK デフォルト値を持たない
        {
            return mangled ? typeid(*this).name() : "NviDerived";
        }
    };

下記の単体テストにより、この問題の解消が確認できる。

    //  example/design_pattern/nvi_ut.cpp 173

    NviBase const    b;
    NviDerived const d;
    NviBase const&   d_ref = d;

    ASSERT_EQ("NviDerived", d.Name(false));   // OK
    ASSERT_EQ("10NviDerived", d.Name(true));  // OK

    ASSERT_EQ("NviDerived", d_ref.Name(false));   // OK
    ASSERT_EQ("10NviDerived", d_ref.Name(true));  // OK

    ASSERT_EQ("NviDerived", d.Name());      // mangled == false
    ASSERT_EQ("NviDerived", d_ref.Name());  // mangled == false

    ASSERT_EQ(d.Name(), d_ref.Name());  // OK

なお、メンバ関数のデフォルト引数は、 そのクラス外部からのメンバ関数呼び出しを簡潔に記述するための記法であるため、 privateなメンバ関数はデフォルト引数を持つべきではない。

演習-NVI

RAII(scoped guard)

RAIIとは、「Resource Acquisition Is Initialization」の略語であり、 リソースの確保と解放をオブジェクトの初期化と破棄処理に結びつけるパターンもしくはイデオムである。 特にダイナミックにオブジェクトを生成する場合、 RAIIに従わないとメモリリークを防ぐことは困難である。

下記は、関数終了付近でdeleteする素朴なコードである。

    //  example/design_pattern/raii_ut.cpp 19

    // Aは外部の変数をリファレンスcounter_として保持し、
    //  * コンストラクタ呼び出し時に++counter_
    //  * デストラクタタ呼び出し時に--counter_
    // とするため、生成と解放が同じだけ行われれば外部の変数の値は0となる
    class A {
    public:
        A(uint32_t& couner) noexcept : counter_{++couner} {}
        ~A() { --counter_; }

    private:
        uint32_t& counter_;
    };

    char not_use_RAII_for_memory(size_t index, uint32_t& object_counter)
    {
        auto a = new A{object_counter};  // RAIIでない例
        auto s = std::string{"hehe"};

        auto ret = s.at(index);  // index >= 5でエクセプション発生

        // 何らかの処理

        delete a;         //  この行以前に関数を抜けるとaはメモリリーク

        return ret;
    }

このコードは下記の単体テストが示す通り、第1パラメータが5以上の場合、 エクセプションが発生しメモリリークしてしまう。

    //  example/design_pattern/raii_ut.cpp 72

    auto object_counter = 0U;

    // 第1引数が5なのでエクセプション発生
    ASSERT_THROW(not_use_RAII_for_memory(5, object_counter), std::exception);

    // 上記のnot_use_RAII_for_memoryではエクセプションが発生し、メモリリークする
    ASSERT_EQ(1, object_counter);

以下は、std::unique_ptrによってRAIIを導入し、この問題に対処した例である。

    //  example/design_pattern/raii_ut.cpp 84

    char use_RAII_for_memory(size_t index, uint32_t& object_counter)
    {
        auto a = std::make_unique<A>(object_counter);
        auto s = std::string{"hehe"};

        auto ret = s.at(index);  // index >= 5でエクセプション発生

        // 何らかの処理

        return ret;  // aは自動解放される
    }

下記単体テストで確認できるように、 エクセプション発生時にもstd::unique_ptrによる自動解放によりメモリリークは発生しない。

    //  example/design_pattern/raii_ut.cpp 101

    auto object_counter = 0U;

    // 第1引数が5なのでエクセプション発生
    ASSERT_THROW(use_RAII_for_memory(5, object_counter), std::exception);

    // 上記のuse_RAII_for_memoryではエクセプションが発生するがメモリリークはしない
    ASSERT_EQ(0, object_counter);

RAIIのテクニックはメモリ管理のみでなく、ファイルディスクリプタ(open-close、socket-close) 等のリソース管理においても有効であるという例を示す。

下記は、生成したソケットを関数終了付近でcloseする素朴なコードである。

    //  example/design_pattern/raii_ut.cpp 112

    // RAIIをしない例
    // 複数のclose()を書くような関数は、リソースリークを起こしやすい。
    void not_use_RAII_for_socket()
    {
        auto fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        try {
            // Do something
            ...
        }
        catch (std::exception const& e) {  // エクセプションはconstリファレンスで受ける。
            close(fd);                     // NG RAII未使用
            // Do something to recover
            ...

            return;
        }
        ...
        close(fd);  // NG RAII未使用
    }

エクセプションを扱うために関数の2か所でソケットをcloseしている。 この程度であれば大きな問題にはならないだろうが、実際には様々な条件が重なるため、 リソースの解放コードは醜悪にならざるを得ない。

このような場合には、下記するようなリソース解放用クラス

    //  h/scoped_guard.h 7

    /// @brief RAIIのためのクラス。コンストラクタ引数の関数オブジェクトをデストラクタから呼び出す
    ///
    #if __cplusplus >= 202002L   // c++20

    template <std::invocable F>  // Fが呼び出し可能であることを制約
    #else  // c++17

    template <typename F>
    #endif
    class ScopedGuard {
    public:
        explicit ScopedGuard(F&& f) noexcept : f_{f}
        {
        }

        ~ScopedGuard() { f_(); }
        ScopedGuard(ScopedGuard const&)            = delete;  // copyは禁止
        ScopedGuard& operator=(ScopedGuard const&) = delete;  // copyは禁止

    private:
        F f_;
    };

を使用し、下記のようにすることで安全なコードをすっきりと書くことができる。

    //  example/design_pattern/raii_ut.cpp 139

    // RAIIをScopedGuardで行った例。
    // close()が自動実行されるためにリソース解放を忘れない。
    void use_RAII_for_socket()
    {
        auto fd    = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        auto guard = ScopedGuard{[fd] { close(fd); }};  // 関数終了時に自動実行

        try {
            // Do something
        }
        catch (...) {
            // Do something to recover

            return;
        }

        // Do something
    }

クリティカルセクションの保護をlock/unlockで行うstd::mutex等を使う場合にも、 std::lock_guard<>によってunlockを行うことで、同様の効果が得られる。

演習-RAIIの効果
演習-RAII

Future

Futureとは、 並行処理のためのデザインパターンであり、別スレッドに何らかの処理をさせる際、 その結果の取得を、必要になるまで後回しにする手法である。

C++11では、std::future, std::promise, std::asyncによって実現できる。

まずは、C++03以前のスタイルから示す。

    //  example/design_pattern/future_ut.cpp 11

    int do_something(std::string_view str0, std::string_view str1) noexcept
    {
        ...

        return ret0 + ret1;
    }

    TEST(Future, old_style)
    {
        auto str0 = std::string{};
        auto th0  = std::thread{[&str0]() noexcept { str0 = do_heavy_algorithm("thread 0"); }};

        auto str1 = std::string{};
        auto th1  = std::thread{[&str1]() noexcept { str1 = do_heavy_algorithm("thread 1"); }};

        //
        // このスレッドで行うべき何らかの処理
        //

        th0.join();
        th1.join();

        ASSERT_EQ("THREAD 0", str0);
        ASSERT_EQ("THREAD 1", str1);

        ASSERT_EQ(16, do_something(str0, str1));
    }

上記は、

  1. 時間がかかる処理を並行して行うために、スレッドを二つ作る。
  2. それぞれの完了をthread::join()で待ち合わせる。
  3. その結果を参照キャプチャによって受け取る。
  4. その2つの結果を別の関数に渡す。

という処理を行っている。

この程度の単純なコードでは特に問題にはならないが、目的外の処理が多いことがわかるだろう。

次にFutureパターンによって上記をリファクタリングした例を示す。

    //  example/design_pattern/future_ut.cpp 45

    TEST(Future, new_style)
    {
        std::future<std::string> result0
            = std::async(std::launch::async, []() noexcept { return do_heavy_algorithm("thread 0"); });

        std::future<std::string> result1
            = std::async(std::launch::async, []() noexcept { return do_heavy_algorithm("thread 1"); });

        // futre::get()は処理の待ち合わせと値の取り出しを行う。
        auto str0 = result0.get();
        auto str1 = result1.get();
        ASSERT_EQ(16, do_something(str0, str1));

        ASSERT_EQ("THREAD 0", str0);
        ASSERT_EQ("THREAD 1", str1);
    }

リファクタリングした例では、時間のかかる処理をstd::future型のオブジェクトにし、 その結果を必要とする関数に渡すことができるため、目的をよりダイレクトに表すことができる。

なお、

    std::async(関数オブジェクト)

という形式を使った場合、関数オブジェクトは、

    std::launch::async | std::launch::deferred

が指定されたとして実行される。この場合、

    std::launch::deferred

の効果により、関数オブジェクトは、並行に実行されるとは限らない (この仕様はランタイム系に依存しており、std::future::get()のコンテキストで実行されることもあり得る)。 従って、並行実行が必要な場合、上記例のように

    std::launch::async

のみを明示的に指定するべきである。

演習-Future

DI(dependency injection)

メンバ関数内でクラスDependedのオブジェクトを直接、生成する (もしくはSingletonオブジェクトや静的オブジェクト(std::coutやstd::cin等)に直接アクセスする) クラスNotDIがあるとする。 この場合、クラスNotDIはクラスDependedのインスタンスに依存してしまう。 このような依存関係はクラスNotDIの可用性とテスト容易性を下げる。 これは、「仮にクラスDependedがデータベースをラップするクラスだった場合、 クラスNotDIの単体テストにデータベースが必要になる」ことからも容易に理解できる。

    //  example/design_pattern/di_ut.cpp 8

    /// @brief NotDIや、DIから依存されるクラス
    class Depended {
        ...
    };

    /// @brief NotDIを使わない例。そのため、NotDIは、Dependedのインスタンスに依存している。
    class NotDI {
    public:
        NotDI() : not_di_depended_{std::make_unique<Depended>()} {}

        void DoSomething() { not_di_depended_->DoSomething(); }

    private:
        std::unique_ptr<Depended> not_di_depended_;
    };

下記は上記NotDIにDIパターンを適用した例である。 この場合、クラスDIは、クラスDependedの型にのみ依存する。

    //  example/design_pattern/di_ut.cpp 37

    /// @brief DIを使う例。そのため、DIは、Dependedの型に依存している。
    class DI {
    public:
        explicit DI(std::unique_ptr<Depended>&& di_depended) noexcept
            : di_depended_{std::move(di_depended)}
        {
        }

        void DoSomething() { di_depended_->DoSomething(); }

    private:
        std::unique_ptr<Depended> di_depended_;
    };

下記は、クラスNotDIとクラスDIがそれぞれのDoSomething()を呼び出すまでのシーケンス図である。

このパターンの効果により、 DIオブジェクトにはDependedかその派生クラスのオブジェクトを渡すことができるようになった。 これによりクラスDIは拡張性に対して柔軟になっただけでなく、テスト容易性も向上した。

次に示すのは、このパターンを使用して問題のある単体テストを修正した例である。

まずは、問題があるクラスとその単体テストを下記する。

    // in device_io.h

    class DeviceIO {
    public:
        uint8_t read()
        {
            // ハードウェアに依存した何らかの処理
        }

        void write(uint8_t a)
        {
            // ハードウェアに依存した何らかの処理
        }

    private:
        // 何らかの宣言
    };

    #ifdef UNIT_TEST       // 単体テストビルドでは定義されるマクロ
    class DeviceIO_Mock {  // 単体テスト用のモック
    public:
        uint8_t read()
        {
            // ハードウェアに依存しない何らかの処理
        }

        void write(uint8_t a)
        {
            // ハードウェアに依存しない何らかの処理
        }

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    #endif
    // in widget.h
    
    #include "device_io.h"

    class Widget {
    public:
        void DoSomething()
        {
            // io_を使った何らかの処理
        }

        uint8_t GetResp()
        {
            // io_を使った何らかの処理
        }

    private:
    #ifdef UNIT_TEST
        DeviceIO_Mock io_;
    #else
        DeviceIO io_;
    #endif
    };
    // in widget_ut.cpp

    // UNIT_TESTマクロが定義されたWidgetの単体テスト
    Widget w;

    w.DoSomething();
    ASSERT_EQ(0, w.GetResp());

当然であるが、この単体テストは、UNIT_TESTマクロを定義している場合のWidgetの評価であり、 UNIT_TESTを定義しない実際のコードの評価にはならない。

以下では、DIを用い、この問題を回避する。

    // in device_io.h

    class DeviceIO {
    public:
        virtual uint8_t read()  // モックでオーバーライドするためvirtual
        {
            // ハードウェアに依存した何らかの処理
        }

        virtual void write(uint8_t a)  // モックでオーバーライドするためvirtual
        {
            // ハードウェアに依存した何らかの処理
        }
        virtual ~DeviceIO() = default;

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    // in widget.h

    class Widget {
    public:
        Widget(std::unique_ptr<DeviceIO> io = std::make_unique<DeviceIO>()) : io_{std::move(io)} {}

        void DoSomething()
        {
            // io_を使った何らかの処理
        }

        uint8_t GetResp()
        {
            // io_を使った何らかの処理
        }

    private:
        std::unique_ptr<DeviceIO> io_;
    };
    // in widget_ut.cpp

    class DeviceIO_Mock : public DeviceIO {  // 単体テスト用のモック
    public:
        uint8_t read() override
        {
            // ハードウェアに依存しない何らかの処理
        }

        void write(uint8_t a) override
        {
            // ハードウェアに依存しない何らかの処理
        }

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    // 上記DeviceIO_Mockと同様に、in widget_ut.cpp

    Widget w{std::unique_ptr<DeviceIO>(new DeviceIO_Mock)};  // モックのインジェクション

    // Widgetの単体テスト
    w.DoSomething();
    ASSERT_EQ(1, w.GetResp());

この例では、単体テストのためだけに仮想関数を導入しているため、多少やりすぎの感がある。 そのような場合、下記のようにテンプレートを用いればよい。

    // in device_io.h

    class DeviceIO {
    public:
        uint8_t read()  // Widgetがテンプレートであるため非virtualで良い
        {
            // ハードウェアに依存した何らかの処理
        }

        void write(uint8_t a)  // Widgetがテンプレートであるため非virtualで良い
        {
            // ハードウェアに依存した何らかの処理
        }
        virtual ~DeviceIO() = default;

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    // in widget.h

    template <class T = DeviceIO>
    class Widget {
    public:
        void DoSomething()
        {
            // io_を使った何らかの処理
        }

        uint8_t GetResp()
        {
            // io_を使った何らかの処理
        }

    private:
        T io_;
    };
    // in widget_ut.cpp

    class DeviceIO_Mock {  // 単体テスト用のモック
    public:
        uint8_t read()  // Widgetがテンプレートであるため非virtualで良い
        {
            // ハードウェアに依存しない何らかの処理
        }

        void write(uint8_t a)  // Widgetがテンプレートであるため非virtualで良い
        {
            // ハードウェアに依存しない何らかの処理
        }

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    // 上記DeviceIO_Mockと同様に、in widget_ut.cpp

    Widget<DeviceIO_Mock> w;

    // Widget<>の単体テスト
    w.DoSomething();
    ASSERT_EQ(2, w.GetResp());

以上からわかるように、 ここで紹介したDIは単体テストを容易にするクラス設計のためにも非常に有用なパターンである。

演習-DI

Singleton

このパターンにより、特定のクラスのインスタンスをシステム全体で唯一にすることができる。 これにより、グローバルオブジェクトを規律正しく使用しやすくなる。

以下は、Singletonの実装例である。

    //  example/design_pattern/singleton_ut.cpp 7

    class Singleton final {
    public:
        static Singleton&       Inst();
        static Singleton const& InstConst() noexcept  // constインスタンスを返す
        {
            return Inst();
        }
        ...

    private:
        Singleton() noexcept {}  // コンストラクタをprivateにすることで、
                                 // Inst()以外ではこのオブジェクトを生成できない。
        ...
    };

    Singleton& Singleton::Inst()
    {
        static Singleton inst;  //  instの初期化が同時に行われることはない。

        return inst;
    }

    TEST(Singleton, how_to_use)
    {
        auto&       inst       = Singleton::Inst();
        auto const& inst_const = Singleton::InstConst();

        ASSERT_EQ(0, inst.GetXxx());
        ASSERT_EQ(0, inst_const.GetXxx());
    #if 0
        inst_const.SetXxx(10);  // inst_constはconstオブジェクトなのでコンパイルエラー
    #else
        inst.SetXxx(10);
    #endif
        ASSERT_EQ(10, inst.GetXxx());
        ASSERT_EQ(10, inst_const.GetXxx());

        inst.SetXxx(0);
        ASSERT_EQ(0, inst.GetXxx());
        ASSERT_EQ(0, inst_const.GetXxx());
    }
    }  // namespace

このパターンを使用する場合、以下に注意する。

Singletonオブジェクトの初期化(最初のコンストラクタ呼び出し)は、 C++03以前はスレッドセーフでなかったため、「 Double Checked Lockingを使って競合を避ける」か、 「他のスレッドを起動する前にメインスレッドから各SingletonのInstConst()を呼び出す」 ことが必要であった。 C++11から上記例のようなSingletonオブジェクトのコンストラクタ呼び出しはスレッドセーフとなったため、 このような黒魔術が不要になった。

なお、Inst()のような関数を複数定義する場合、そのパターンはNamed Constructor (「Named Constructor」参照)と呼ばれる。

演習-Singleton

State

Stateは、オブジェクトの状態と、それに伴う振る舞いを分離して記述するためのパターンである。 これにより状態の追加、削減、変更に伴う修正範囲が限定される (「オープン・クローズドの原則(OCP)」参照)。 またオブジェクトのインターフェース変更(パブリックメンバ関数の変更)に関しても、修正箇所が明確になる。

上記ステートマシン図の「オールドスタイルによる実装」と、「stateパターンによる実装」、 それぞれを例示する。

まずは、下記にオールドスタイルな実装例を示す。 この実装では、状態を静的なenum変数thread_old_style_stateで管理するため、 ThreadOldStyleStateStr()、ThreadOldStyleRun()、ThreadOldStyleAbort()、ThreadOldStyleSuspend() には、thread_old_style_stateに対する同型のswitch文が入ることになる(下記例では一部省略)。 これは醜悪で、バグを起こしやすい構造である。 ただし、要求される状態遷移がこの例程度であり、状態ごとに決められた振る舞いの数が少なければ、 この構造でも問題ないともいえる。

    //  example/design_pattern/state_machine_old.h 4

    extern std::string_view ThreadOldStyleStateStr() noexcept;
    extern void             ThreadOldStyleRun();
    extern void             ThreadOldStyleAbort();
    extern void             ThreadOldStyleSuspend();
    //  example/design_pattern/state_machine_old.cpp 6

    namespace {
    enum class ThreadOldStyleState {
        Idle,
        Running,
        Suspending,
    };

    ThreadOldStyleState thread_old_style_state;
    ...
    }  // namespace

    std::string_view ThreadOldStyleStateStr() noexcept
    {
        switch (thread_old_style_state) {  // このswitch文と同型switch文が何度も記述される
        case ThreadOldStyleState::Idle:
            return "Idle";
        case ThreadOldStyleState::Running:
            return "Running";
        case ThreadOldStyleState::Suspending:
            return "Suspending";
        default:
            assert(false);
            return "";
        }
    }

    void ThreadOldStyleRun()
    {
        switch (thread_old_style_state) {
        case ThreadOldStyleState::Idle:
        case ThreadOldStyleState::Running:
            thread_old_style_state = ThreadOldStyleState::Running;
            break;
        case ThreadOldStyleState::Suspending:
            --thread_old_style_suspend_count;
            if (thread_old_style_suspend_count == 0) {
                thread_old_style_state = ThreadOldStyleState::Running;
            }
            break;
        default:
            assert(false);
        }
    }

    void ThreadOldStyleAbort()
    {
        ...
    }

    void ThreadOldStyleSuspend()
    {
        ...
    }
    //  example/design_pattern/state_machine_ut.cpp 15

    // ステートのテスト。仕様書よりも単体テストでその仕様や使用法を記述したほうが正確に理解できる。
    TEST(StateMachine, old_style)
    {
        ASSERT_EQ("Idle", ThreadOldStyleStateStr());

        ThreadOldStyleAbort();
        ASSERT_EQ("Idle", ThreadOldStyleStateStr());

        ThreadOldStyleRun();
        ASSERT_EQ("Running", ThreadOldStyleStateStr());

        ThreadOldStyleRun();
        ASSERT_EQ("Running", ThreadOldStyleStateStr());

        ThreadOldStyleSuspend();
        ASSERT_EQ("Suspending", ThreadOldStyleStateStr());  // suspend_count_ == 1

        ThreadOldStyleSuspend();
        ASSERT_EQ("Suspending", ThreadOldStyleStateStr());  // suspend_count_ == 2

        ThreadOldStyleRun();
        ASSERT_EQ("Suspending", ThreadOldStyleStateStr());  // suspend_count_ == 1

        ...
    }

下記は、上記例へstateパターンを適用した例である。 まずは、stateパターンを形成するクラスの関係をクラス図で示す。

次に上記クラス図の実装例を示す。

    //  example/design_pattern/state_machine_new.h 6

    /// @brief ThreadNewStyleのステートを表す基底クラス
    class ThreadNewStyleState {
    public:
        ThreadNewStyleState()          = default;
        virtual ~ThreadNewStyleState() = default;

        std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> Abort()  // NVI
        {
            return abort_thread();
        }

        std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> Run()  // NVI
        {
            return run_thread();
        }

        std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> Suspend()  // NVI
        {
            return suspend_thread();
        }

        std::string_view GetStateStr() const noexcept { return get_state_str(); }

    private:
        virtual std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> abort_thread()
        {
            return {};  // デフォルトでは何もしない。
        }

        virtual std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> run_thread()
        {
            return {};  // デフォルトでは何もしない。
        }

        virtual std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> suspend_thread()
        {
            return {};  // デフォルトでは何もしない。
        }

        virtual std::string_view get_state_str() const noexcept = 0;
    };
    //  example/design_pattern/state_machine_new.h 51

    class ThreadNewStyle final {
    public:
        ThreadNewStyle();

        void Abort() { change_state(state_->Abort()); }

        void Run() { change_state(state_->Run()); }

        void Suspend() { change_state(state_->Suspend()); }

        std::string_view GetStateStr() const noexcept { return state_->GetStateStr(); }

    private:
        std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> state_;

        void change_state(std::unique_ptr<ThreadNewStyleState>&& new_state) noexcept
        {
            if (new_state) {
                state_ = std::move(new_state);
            }
        }
    };
    //  example/design_pattern/state_machine_new.cpp 10

    class ThreadNewStyleState_Idle final : public ThreadNewStyleState {
        ...
    };

    class ThreadNewStyleState_Running final : public ThreadNewStyleState {
        ...
    };

    class ThreadNewStyleState_Suspending final : public ThreadNewStyleState {
    public:
        ...
    private:
        virtual std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> abort_thread() override
        {
            // do something to abort
            ...

            return std::make_unique<ThreadNewStyleState_Idle>();
        }

        virtual std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> run_thread() override
        {
            --suspend_count_;

            if (suspend_count_ == 0) {
                // do something to resume
                ...
                return std::make_unique<ThreadNewStyleState_Running>();
            }
            else {
                return {};
            }
        }

        virtual std::unique_ptr<ThreadNewStyleState> suspend_thread() override
        {
            ++suspend_count_;

            return {};
        }
        ...
    };
    //  example/design_pattern/state_machine_ut.cpp 57

    TEST(StateMachine, new_style)
    {
        auto tns = ThreadNewStyle{};

        ASSERT_EQ("Idle", tns.GetStateStr());

        tns.Abort();
        ASSERT_EQ("Idle", tns.GetStateStr());

        tns.Run();
        ASSERT_EQ("Running", tns.GetStateStr());

        tns.Run();
        ASSERT_EQ("Running", tns.GetStateStr());

        tns.Suspend();
        ASSERT_EQ("Suspending", tns.GetStateStr());  // suspend_count_ == 1

        tns.Suspend();
        ASSERT_EQ("Suspending", tns.GetStateStr());  // suspend_count_ == 2

        tns.Run();
        ASSERT_EQ("Suspending", tns.GetStateStr());  // suspend_count_ == 1

        ...
    }

オールドスタイルな構造に比べると一見複雑に見えるが同型のswitch構造がないため、 状態の増減や振る舞いの変更等への対応が容易である。 一方で、前述したとおり、この例程度の要求であれば、 シンプルさという意味においてオールドスタイルのソースコードの方が優れているともいえる。 従って、オールドスタイルとstateパターンの選択は、 その要求の複雑さと安定度によって決定されるべきものである。

なお、C++でのstateパターンの実装には、下記に示すようなメンバ関数を使う方法もある。 多くのクラスを作る必要はないが、 各状態での状態管理変数を別の状態のものと分けて管理することができないため、 複雑な状態管理が必要な場合には使えないが、単純な状態管理で十分な場合には便利なパターンである。

    //  example/design_pattern/state_machine_new.h 76

    class ThreadNewStyle2 final {
    public:
        ThreadNewStyle2() noexcept {}

        void             Abort() { (this->*abort_)(); }
        void             Run() { (this->*run_)(); }
        void             Suspend() { (this->*suspend_)(); }
        std::string_view GetStateStr() const noexcept { return state_str_; }

    private:
        void (ThreadNewStyle2::*abort_)()   = &ThreadNewStyle2::abort_idle;
        void (ThreadNewStyle2::*run_)()     = &ThreadNewStyle2::run_idle;
        void (ThreadNewStyle2::*suspend_)() = &ThreadNewStyle2::suspend_idle;
        std::string_view state_str_{state_str_idle_};

        void                                 abort_idle() {}  // do nothing
        void                                 run_idle();
        void                                 suspend_idle() {}  // do nothing
        static inline std::string_view const state_str_idle_{"Idle"};

        void                                 abort_running();
        void                                 run_running() {}  // do nothing
        void                                 suspend_running();
        static inline std::string_view const state_str_running_{"Running"};

        void                                 abort_suspending();
        void                                 run_suspending();
        void                                 suspend_suspending() {}  // do nothing
        static inline std::string_view const state_str_suspending_{"Suspending"};
    };
    //  example/design_pattern/state_machine_new.cpp 106

    void ThreadNewStyle2::run_idle()
    {
        // スレッドの始動処理
        ...

        // ステートの切り替え
        run_       = &ThreadNewStyle2::run_running;
        suspend_   = &ThreadNewStyle2::suspend_running;
        state_str_ = state_str_running_;
    }

    void ThreadNewStyle2::abort_running()
    {
        // スレッドのアボート処理
        ...

        // ステートの切り替え
        run_       = &ThreadNewStyle2::run_idle;
        suspend_   = &ThreadNewStyle2::suspend_idle;
        state_str_ = state_str_idle_;
    }

    void ThreadNewStyle2::suspend_running()
    {
        // スレッドのサスペンド処理
        ...

        // ステートの切り替え
        run_       = &ThreadNewStyle2::run_suspending;
        suspend_   = &ThreadNewStyle2::suspend_suspending;
        state_str_ = state_str_suspending_;
    }

    void ThreadNewStyle2::run_suspending()
    {
        // スレッドのレジューム処理
        ...

        // ステートの切り替え
        run_       = &ThreadNewStyle2::run_running;
        suspend_   = &ThreadNewStyle2::suspend_running;
        state_str_ = state_str_running_;
    }
    //  example/design_pattern/state_machine_ut.cpp 95

    TEST(StateMachine, new_style2)
    {
        auto tns = ThreadNewStyle2{};

        ASSERT_EQ("Idle", tns.GetStateStr());

        tns.Run();
        ASSERT_EQ("Running", tns.GetStateStr());

        tns.Suspend();
        ASSERT_EQ("Suspending", tns.GetStateStr());

        tns.Suspend();
        ASSERT_EQ("Suspending", tns.GetStateStr());
    }

演習-State

Null Object

オブジェクトへのポインタを受け取った関数が 「そのポインタがnullptrでない場合、そのポインタが指すオブジェクトに何かをさせる」 というような典型的な条件文を削減するためのパターンである。

    //  example/design_pattern/null_object_ut.cpp 7

    class A {
    public:
        ...
        bool Action() noexcept
        {
            // do something
            ...
            return result;
        }
        ...
    };

    bool ActionOldStyle(A* a) noexcept
    {
        if (a != nullptr) {  // ←このif文を消すためのパターン。
            return a->Action();
        }
        else {
            return false;
        }
    }

上記例にNull Objectパターンを適用した例を下記する。

    //  example/design_pattern/null_object_ut.cpp 41

    class A {
    public:
        ...
        bool Action() noexcept { return action(); }

    private:
        virtual bool action() noexcept
        {
            // do something
            ...
            return result;
        }
        ...
    };

    class ANull final : public A {
        ...
    private:
        virtual bool action() noexcept override { return false; }
    };

    bool ActionNewStyle(A& a) noexcept
    {
        return a.Action();  // ←Null Objectによりif文が消えた。
    }

この単純な例では、逆にソースコードが複雑化したように見えるが、

    if(a != nullptr)

を頻繁に使うような関数、 クラスではソースコードの単純化やnullptrチェック漏れの防止に非常に有効である。

演習-Null Object

Templateメソッド

Templateメソッドは、雛形の形式(書式等)を定めるメンバ関数(templateメソッド)と、 それを埋めるための振る舞いやデータを定めるメンバ関数を分離するときに用いるパターンである。

以下に実装例を示す。

    //  example/design_pattern/template_method.h 6

    /// @brief 何かのデータを入れる箱
    struct XxxData {
        int a;
        int b;
        int c;
    };

    /// @brief data_storer_if.cppに定義すべきだが、サンプルであるため便宜上同じファイルで定義する
    ///        データフォーマットを行うクラスのインターフェースクラス
    class XxxDataFormatterIF {
    public:
        explicit XxxDataFormatterIF(std::string_view formatter_name) noexcept
            : formatter_name_{formatter_name}
        {
        }
        virtual ~XxxDataFormatterIF() = default;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            return header() + body(xxx_data) + footer();
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            std::string ret{header()};

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += body(xxx_data);
            }

            return ret + footer();
        }
        ...
    private:
        virtual std::string const& header() const                      = 0;
        virtual std::string const& footer() const                      = 0;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const = 0;

        ...
    };

上記XxxDataFormatterIFでは、以下のようなメンバ関数を宣言、定義している。

メンバ関数 振る舞い
header() private pure-virtual ヘッダをstd::stringオブジェクトとして生成
footer() private pure-virtual フッタをstd::stringオブジェクトとして生成
body() private pure-virtual XxxDataからボディをstd::stringオブジェクトとして生成
ToString() public normal header(),body(),footer()の出力を組み合わせた全体像を生成

この構造により、XxxDataFormatterIFは、

下記XxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsv、XxxDataFormatterTableでは、 header()、body()、footer()をオーバーライドすることで、それぞれの機能を実現している。

    //  example/design_pattern/template_method.cpp 8

    /// @class XxxDataFormatterXml
    /// @brief XxxDataをXmlに変換
    class XxxDataFormatterXml final : public XxxDataFormatterIF {
        ...
    private:
        virtual std::string const& header() const noexcept final { return header_; }
        virtual std::string const& footer() const noexcept final { return footer_; }
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const override
        {
            auto content = std::string{"<Item>\n"};

            content += "    <XxxData a=\"" + std::to_string(xxx_data.a) + "\">\n";
            content += "    <XxxData b=\"" + std::to_string(xxx_data.b) + "\">\n";
            content += "    <XxxData c=\"" + std::to_string(xxx_data.c) + "\">\n";

            return content + "</Itemp>\n";
        }

        static inline std::string const header_{
            "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n<XxxDataFormatterXml>\n"};
        static inline std::string const footer_{"</XxxDataFormatterXml>\n"};
    };

    /// @class XxxDataFormatterCsv
    /// @brief XxxDataをCsvに変換
    class XxxDataFormatterCsv final : public XxxDataFormatterIF {
        ...
    private:
        virtual std::string const& header() const noexcept final { return header_; }
        virtual std::string const& footer() const noexcept final { return footer_; }
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const override
        {
            return std::string{std::to_string(xxx_data.a) + ", " + std::to_string(xxx_data.b) + ", "
                               + std::to_string(xxx_data.b) + "\n"};
        }

        static inline std::string const header_{"a, b, c\n"};
        static inline std::string const footer_{};
    };

    /// @class XxxDataFormatterTable
    /// @brief XxxDataをTableに変換
    class XxxDataFormatterTable final : public XxxDataFormatterIF {
        ...
    private:
        virtual std::string const& header() const noexcept final { return header_; }
        virtual std::string const& footer() const noexcept final { return footer_; }
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const override
        {
            auto a = std::string{std::string{"| "} + std::to_string(xxx_data.a)};
            auto b = std::string{std::string{"| "} + std::to_string(xxx_data.b)};
            auto c = std::string{std::string{"| "} + std::to_string(xxx_data.c)};

            a += std::string(colomun_ - a.size() + 1, ' ');
            b += std::string(colomun_ - b.size() + 1, ' ');
            c += std::string(colomun_ - c.size() + 1, ' ');

            return a + b + c + "|\n" + border_;
        }
        ...
    };

以下の単体テストで、これらのクラスの振る舞いを示す。

    //  example/design_pattern/template_method_ut.cpp 6

    TEST(TemplateMethod, xml)
    {
        auto xml = XxxDataFormatterXml{};

        {
            auto const xd     = XxxData{1, 100, 10};
            auto const expect = std::string_view{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual = xml.ToString(xd);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
        {
            auto const xds    = std::vector<XxxData>{{1, 100, 10}, {2, 200, 20}};
            auto const expect = std::string_view{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"2\">\n"
                "    <XxxData b=\"200\">\n"
                "    <XxxData c=\"20\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual = xml.ToString(xds);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
    }

    TEST(TemplateMethod, csv)
    {
        auto csv = XxxDataFormatterCsv{};

        {
            auto const xd     = XxxData{1, 100, 10};
            auto const expect = std::string_view{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"};
            auto const actual = csv.ToString(xd);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
        {
            auto const xds    = std::vector<XxxData>{{1, 100, 10}, {2, 200, 20}};
            auto const expect = std::string_view{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual = csv.ToString(xds);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
    }

    TEST(TemplateMethod, table)
    {
        auto table = XxxDataFormatterTable{};

        ...
    }

上記で示した実装例は、public継承による動的ポリモーフィズムを使用したため、 XxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsv、XxxDataFormatterTableのインスタンスやそのポインタは、 XxxDataFormatterIFのリファレンスやポインタとして表現できる。 この性質は、FactoryNamed Constructorの実装には不可欠であるが、 逆にこのようなポリモーフィズムが不要な場合、このよう柔軟性も不要である。

そういった場合、private継承を用いるか、 テンプレートを用いた静的ポリモーフィズムを用いることでこの柔軟性を排除できる。

下記のコードはそのような実装例である。

    //  example/design_pattern/template_method_ut.cpp 112

    #if __cplusplus >= 202002L // c++20
    template <typename T>
    concept DataFormattable = requires(T t, const XxxData& xxx_data) {
        { t.Header() } -> std::convertible_to<std::string>;
        { t.Body(xxx_data) } -> std::convertible_to<std::string>;
        { t.Footer() } -> std::convertible_to<std::string>;
    };
    template <DataFormattable T>  // TはDataFormattableに制約される

    #else // c++17
    template <typename T>  // Tは下記のXxxDataFormatterXmlのようなクラス
    #endif
    class XxxDataFormatter : private T {
    public:
        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            return T::Header() + T::Body(xxx_data) + T::Footer();
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = std::string{T::Header()};

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += T::Body(xxx_data);
            }

            return ret + T::Footer();
        }
    };

    class XxxDataFormatterXml_Impl {
    public:
        std::string const& Header() const noexcept { return header_; }
        std::string const& Footer() const noexcept { return footer_; }
        std::string        Body(XxxData const& xxx_data) const
        {
            auto content = std::string{"<Item>\n"};

            content += "    <XxxData a=\"" + std::to_string(xxx_data.a) + "\">\n";
            content += "    <XxxData b=\"" + std::to_string(xxx_data.b) + "\">\n";
            content += "    <XxxData c=\"" + std::to_string(xxx_data.c) + "\">\n";

            return content + "</Itemp>\n";
        }

    private:
        inline static std::string const header_{
            "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n<XxxDataFormatterXml>\n"};
        inline static std::string const footer_{"</XxxDataFormatterXml>\n"};
    };

    using XxxDataFormatterXml = XxxDataFormatter<XxxDataFormatterXml_Impl>;

上記の単体テストは下記のようになる。

    //  example/design_pattern/template_method_ut.cpp 172

        auto xml = XxxDataFormatterXml{};

        {
            auto const xd     = XxxData{1, 100, 10};
            auto const expect = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual = xml.ToString(xd);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
        {
            auto const xds    = std::vector<XxxData>{{1, 100, 10}, {2, 200, 20}};
            auto const expect = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"2\">\n"
                "    <XxxData b=\"200\">\n"
                "    <XxxData c=\"20\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual = xml.ToString(xds);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }

演習-Templateメソッド

Factory

Factoryは、専用関数(Factory関数)にオブジェクト生成をさせるためのパターンである。 オブジェクトを生成するクラスや関数をそのオブジェクトの生成方法に依存させたくない場合や、 オブジェクトの生成に統一されたルールを適用したい場合等に用いられる。 DI(「DI(dependency injection)」参照)と組み合わせて使われることが多い。

Templateメソッド」の例にFactoryを適用したソースコードを下記する。

下記のXxxDataFormatterFactory関数により、

といった効果がある。

    //  example/design_pattern/template_method.h 71

    enum class XxxDataFormatterMethod {
        Xml,
        Csv,
        Table,
    };

    /// @brief std::unique_ptrで保持されたXxxDataFormatterIFオブジェクトを生成するFactory関数
    /// @param method XxxDataFormatterMethodのいずれか
    /// @return std::unique_ptr<const XxxDataFormatterIF>
    ///         XxxDataFormatterIFはconstメンバ関数のみを持つため、戻り値もconstオブジェクト
    std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF const> XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterMethod method);
    //  example/design_pattern/template_method.cpp 109

    std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF const> XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterMethod method)
    {
        switch (method) {
        case XxxDataFormatterMethod::Xml:
            return std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF const>{new XxxDataFormatterXml};  // C++11
        case XxxDataFormatterMethod::Csv:
            return std::make_unique<XxxDataFormatterCsv const>();  // C++14 make_uniqueもFactory
        case XxxDataFormatterMethod::Table:
            return std::make_unique<XxxDataFormatterTable const>();
        default:
            assert(false);
            return {};
        }
    }

以下に上記クラスの単体テストを示す。

    //  example/design_pattern/template_method_factory_ut.cpp 7

    TEST(Factory, xml)
    {
        auto xml = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterMethod::Xml);

        ...
    }

    TEST(Factory, csv)
    {
        auto csv = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterMethod::Csv);

        ...
    }

    TEST(Factory, table)
    {
        auto table = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterMethod::Table);

        {
            auto const xd     = XxxData{1, 100, 10};
            auto const expect = std::string_view{
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| a      | b      | c      |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 1      | 100    | 10     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"};
            auto const actual = table->ToString(xd);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
        {
            auto const xds    = std::vector<XxxData>{{1, 100, 10}, {2, 200, 20}};
            auto const expect = std::string_view{
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| a      | b      | c      |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 1      | 100    | 10     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 2      | 200    | 20     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"};
            auto const actual = table->ToString(xds);

            ASSERT_EQ(expect, actual);
        }
    }

一般にFactory関数はヒープを使用してオブジェクトを生成する場合が多いため、 それを例示する目的でXxxDataFormatterFactoryもヒープを使用している。

この例ではその必要はないため、ヒープを使用しないFactory関数の例を下記する。

    //  example/design_pattern/template_method.cpp 126

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterFactory2(XxxDataFormatterMethod method) noexcept
    {
        static auto xml   = XxxDataFormatterXml{};
        static auto csv   = XxxDataFormatterCsv{};
        static auto table = XxxDataFormatterTable{};

        switch (method) {
        case XxxDataFormatterMethod::Xml:
            return xml;
        case XxxDataFormatterMethod::Csv:
            return csv;
        case XxxDataFormatterMethod::Table:
            return table;
        default:
            assert(false);
            return xml;
        }
    }

次に示すのは、このパターンを使用して、プリプロセッサ命令を排除するリファクタリングの例である。

まずは、出荷仕分け向けのプリプロセッサ命令をロジックの内部に記述している問題のあるコードを示す。 このようなオールドスタイルなコードは様々な開発阻害要因になるため、避けるべきである。

    // in shipping.h

    #define SHIP_TO_JAPAN 1
    #define SHIP_TO_US 2
    #define SHIP_TO_EU 3

    class ShippingOp {
    public:
        virtual int32_t DoSomething() = 0;
        virtual ~ShippingOp()         = default;
    };
    // in shipping_japan.h

    class ShippingOp_Japan : public ShippingOp {
    public:
        ShippingOp_Japan();
        int32_t DoSomething() override;
        ~ShippingOp_Japan() override;

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    // in xxx.cpp 仕分けに依存した処理

    // SHIPPINGはmake等のビルドツールから渡される

    #if SHIPPING == SHIP_TO_JAPAN
        auto shipping = ShippingOp_Japan{};
    #elif SHIPPING == SHIP_TO_US
        auto shipping = ShippingOp_US{};
    #elif SHIPPING == SHIP_TO_EU
        auto shipping = ShippingOp_EU{};
    #else
    #error "SHIPPING must be defined"
    #endif

        shipping.DoSomething();

このコードは、 関数テンプレートの特殊化を利用したFactoryを以下のように定義することで改善することができる。

    // in shipping.h

    // ShippingOpクラスは改善前のコードと同じ

    enum class ShippingRegion { Japan, US, EU };

    template <ShippingRegion>
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory();  // ShippingOpFactory特殊化のための宣言

    template <>
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory<ShippingRegion::Japan>();  // 特殊化関数の宣言

    template <>
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory<ShippingRegion::US>();  // 特殊化関数の宣言

    template <>
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory<ShippingRegion::EU>();  // 特殊化関数の宣言
    // in shipping_japan.cpp
    // ファクトリーの効果で、ShippingOp_Japanは外部への公開が不要

    class ShippingOp_Japan : public ShippingOp {
    public:
        ShippingOp_Japan();
        int32_t DoSomething() override;
        ~ShippingOp_Japan() override;

    private:
        // 何らかの宣言
    };

    template <>
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory<ShippingRegion::Japan>()
    {
        return std::unique_ptr<ShippingOp>{new ShippingOp_Japan};
    }
    // in xxx.cpp 仕分けに依存した処理

    // SHIPPINGはmake等のビルドツールからShippingRegionのいづれかとして渡される
    auto shipping = ShippingOpFactory<SHIPPING>();

    shipping->DoSomething();

もしくは、 関数オーバーロードを利用したFactoryを以下のように定義することで改善することもできる。

    // in shipping.h

    // ShippingOpクラスは改善前のコードと同じ

    enum class ShippingRegion { Japan, US, EU };

    template <ShippingRegion R>
    class ShippingRegion2Type : std::integral_constant<ShippingRegion, R> {
    };

    using ShippingRegionType_Japan = ShippingRegion2Type<ShippingRegion::Japan>;
    using ShippingRegionType_US    = ShippingRegion2Type<ShippingRegion::US>;
    using ShippingRegionType_EU    = ShippingRegion2Type<ShippingRegion::EU>;

    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory(ShippingRegionType_Japan);
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory(ShippingRegionType_US);
    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory(ShippingRegionType_EU);
    // in shipping_japan.cpp
    // ファクトリーの効果で、ShippingOp_Japanは外部への公開が不要

    class ShippingOp_Japan : public ShippingOp {
    public:
        ShippingOp_Japan();
        int32_t DoSomething() override;
        ~ShippingOp_Japan() override;

    private:
        // 何らかの宣言
    };

    std::unique_ptr<ShippingOp> ShippingOpFactory(ShippingRegionType_Japan)
    {
        return std::unique_ptr<ShippingOp>{new ShippingOp_Japan};
    }
    // in xxx.cpp 仕分けに依存した処理

    // SHIPPINGはmake等のビルドツールからShippingRegionのいづれかとして渡される
    auto shipping = ShippingOpFactory(ShippingRegion2Type<SHIPPING>{});

    shipping->DoSomething();

演習-Factory

Named Constructor

Named Connstructorは、Singletonのようなオブジェクトを複数、生成するためのパターンである。

    //  example/design_pattern/enum_operator.h 82

    class Mammals : public Animal {  // 哺乳類
    public:
        static Mammals& Human() noexcept
        {
            static auto inst = Mammals{PhisicalAbility::Run | PhisicalAbility::Swim};
            return inst;
        }

        static Mammals& Bat() noexcept
        {
            static auto inst = Mammals{PhisicalAbility::Run | PhisicalAbility::Fly};
            return inst;
        }

        static Mammals& Whale() noexcept
        {
            static auto inst = Mammals{PhisicalAbility::Swim};
            return inst;
        }

        bool Act();

    private:
        Mammals(PhisicalAbility pa) noexcept : Animal{pa} {}
    };

上記例のHuman()、Bat()、Whale()は、人、コウモリ、クジラに対応するクラスMammalsオブジェクトを返す。

次に示したのは「Factory」の例にこのパターンを適応したコードである。

    //  example/design_pattern/template_method.h 15

    /// @brief data_storer_if.cppに定義すべきだが、サンプルであるため便宜上同じファイルで定義する
    ///        データフォーマットを行うクラスのインターフェースクラス
    class XxxDataFormatterIF {
    public:
        explicit XxxDataFormatterIF(std::string_view formatter_name) noexcept
            : formatter_name_{formatter_name}
        {
        }
        virtual ~XxxDataFormatterIF() = default;

        static XxxDataFormatterIF const& Xml() noexcept;
        static XxxDataFormatterIF const& Csv() noexcept;
        static XxxDataFormatterIF const& Table() noexcept;

        ...
    };
    //  example/design_pattern/template_method.cpp 147

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterIF::Xml() noexcept
    {
        static auto xml = XxxDataFormatterXml{};

        return xml;
    }

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterIF::Csv() noexcept
    {
        static auto csv = XxxDataFormatterCsv{};

        return csv;
    }

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterIF::Table() noexcept
    {
        static auto table = XxxDataFormatterTable{};

        return table;
    }

これまでにXxxDataFormatterIFオブジェクトを取得するパターンを以下のように3つ示した。

  1. Factory関数によってstd::unique_ptr<XxxDataFormatterIF>オブジェクトを返す。
  2. Factory関数によってstaticなXxxDataFormatterIFオブジェクトを返す。
  3. Named ConstructorによってstaticなXxxDataFormatterIFオブジェクトを返す。

最も汎用的な方法はパターン1であるが、 上記例のようにオブジェクトが状態を持たない場合、これは過剰な方法であり、 パターン3が最適であるように思える。このような考察からわかるように、 (単にnewする場合も含めて)オブジェクトの取得にどのような方法を用いるかは、 クラスの性質に依存する。

演習-Named Constructor

Proxy

Proxyとは代理人という意味で、 本物のクラスに代わり代理クラス(Proxy)が処理を受け取る (実際は、処理自体は本物クラスに委譲されることもある)パターンである。

以下の順番で例を示すことで、Proxyパターンの説明を行う。

  1. 内部構造を外部公開しているサーバ クラス
  2. そのサーバをラッピングして、使いやすくしたサーバ クラス(Facadeパターン)
  3. サーバをラップしたクラスのProxyクラス

まずは、内部構造を外部公開しているの醜悪なサーバの実装例である。

    //  example/design_pattern/bare_server.h 5

    enum class Cmd {
        SayHello,
        SayGoodbye,
        Shutdown,
    };

    struct Packet {
        Cmd cmd;
    };

    class BareServer final {
    public:
        BareServer() noexcept;
        ~BareServer();
        int GetPipeW() const noexcept  // クライアントのwrite用
        {
            return to_server_[1];
        }

        int GetPipeR() const noexcept  // クライアントのread用
        {
            return to_client_[0];
        }

        void Start();
        void Wait() noexcept;

    private:
        int         to_server_[2];  // サーバへの通信用
        int         to_client_[2];  // クライアントへの通信用
        std::thread thread_;
    };
    //  example/design_pattern/bare_server.cpp 9

    namespace {
    bool cmd_dispatch(int wfd, Cmd cmd) noexcept
    {
        static char const hello[]   = "Hello";
        static char const goodbye[] = "Goodbye";

        switch (cmd) {
        case Cmd::SayHello:
            write(wfd, hello, sizeof(hello));
            break;
        case Cmd::SayGoodbye:
            write(wfd, goodbye, sizeof(goodbye));
            break;
        case Cmd::Shutdown:
        default:
            std::cout << "Shutdown" << std::endl;
            return false;
        }

        return true;
    }

    void thread_entry(int rfd, int wfd) noexcept
    {
        for (;;) {
            auto packet = Packet{};

            if (read(rfd, &packet, sizeof(packet)) < 0) {
                continue;
            }

            if (!cmd_dispatch(wfd, packet.cmd)) {
                break;
            }
        }
    }
    }  // namespace

    BareServer::BareServer() noexcept : to_server_{-1, -1}, to_client_{-1, -1}, thread_{}
    {
        auto ret = pipe(to_server_);
        assert(ret >= 0);

        ret = pipe(to_client_);
        assert(ret >= 0);
    }

    BareServer::~BareServer()
    {
        close(to_server_[0]);
        close(to_server_[1]);
        close(to_client_[0]);
        close(to_client_[1]);
    }

    void BareServer::Start()
    {
        thread_ = std::thread{thread_entry, to_server_[0], to_client_[1]};
        std::cout << "thread started !!!" << std::endl;
    }

    void BareServer::Wait() noexcept { thread_.join(); }

下記は、上記BareServerを使用するクライアントの実装例である。通信がpipe()によって行われ、 その中身がPacket{}であること等、不要な依存関係をbare_client()に強いていることがわかる。 このような構造は、機能追加、保守作業を非効率、困難にするアンチパターンである。

    //  example/design_pattern/proxy_ut.cpp 17

    /// @brief 非同期サービスを隠蔽していないBareServerを使用したときのクライアントの例
    std::vector<std::string> bare_client(BareServer& bs)
    {
        auto const wfd = bs.GetPipeW();
        auto const rfd = bs.GetPipeR();
        auto       ret = std::vector<std::string>{};

        bs.Start();

        auto packet = Packet{};
        char buffer[30];

        packet.cmd = Cmd::SayHello;
        write(wfd, &packet, sizeof(packet));

        auto read_ret = read(rfd, buffer, sizeof(buffer));
        assert(read_ret > 0);

        ret.emplace_back(buffer);

        packet.cmd = Cmd::SayGoodbye;
        write(wfd, &packet, sizeof(packet));

        read_ret = read(rfd, buffer, sizeof(buffer));
        assert(read_ret > 0);

        ret.emplace_back(buffer);

        packet.cmd = Cmd::Shutdown;
        write(wfd, &packet, sizeof(packet));

        bs.Wait();

        return ret;
    }

次に、このむき出しの構造をラッピングする例を示す(このようなラッピングをFacadeパターンと呼ぶ)。

    //  example/design_pattern/bare_server_wrapper.h 6

    enum class Cmd;  // C++11からenumは前方宣言できる。
    class BareServer;

    class BareServerWrapper final {
    public:
        BareServerWrapper();

        void        Start();
        std::string SayHello();
        std::string SayGoodbye();
        void        Shutdown() noexcept;

    private:
        void                        send_message(enum Cmd cmd) noexcept;
        std::unique_ptr<BareServer> bare_server_;
    };
    //  example/design_pattern/bare_server_wrapper.cpp 8

    BareServerWrapper::BareServerWrapper() : bare_server_{std::make_unique<BareServer>()} {}

    void BareServerWrapper::Start() { bare_server_->Start(); }

    void BareServerWrapper::send_message(enum Cmd cmd) noexcept
    {
        auto packet = Packet{cmd};

        write(bare_server_->GetPipeW(), &packet, sizeof(packet));
    }

    std::string BareServerWrapper::SayHello()
    {
        char buffer[30];

        send_message(Cmd::SayHello);
        read(bare_server_->GetPipeR(), buffer, sizeof(buffer));

        return buffer;
    }

    std::string BareServerWrapper::SayGoodbye()
    {
        char buffer[30];

        send_message(Cmd::SayGoodbye);
        read(bare_server_->GetPipeR(), buffer, sizeof(buffer));

        return buffer;
    }

    void BareServerWrapper::Shutdown() noexcept
    {
        send_message(Cmd::Shutdown);

        bare_server_->Wait();
    }

下記は、上記BareServerWrapperのクライアントの実装例である。 BareServerWrapperがむき出しの通信をラップしたことで、bare_wrapper_client()は、 bare_client()に比べてシンプルになったことがわかる。

    //  example/design_pattern/proxy_ut.cpp 56

    /// @brief BareServerを使いやすくラップしたBareServerWrapperを使用したときのクライアントの例
    std::vector<std::string> bare_wrapper_client(BareServerWrapper& bsw)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        bsw.Start();

        ret.emplace_back(bsw.SayHello());

        ret.emplace_back(bsw.SayGoodbye());

        bsw.Shutdown();

        return ret;
    }

次の例は、BareServerとBareServerWrapperを統合し、 さらに全体をシンプルにリファクタリングしたWrappedServerである。 Packet{}やpipe等の通信の詳細がwrapped_server.cppの無名名前空間に閉じ込められ、 クラスの隠蔽性が強化されたことで、より機能追加、保守が容易になった。

    //  example/design_pattern/wrapped_server.h 5

    class WrappedServer {
    public:
        WrappedServer() noexcept;
        virtual ~WrappedServer();

        void        Start();
        std::string SayHello() { return say_hello(); }
        std::string SayGoodbye() { return say_goodbye(); }
        void        Shutdown() noexcept;

    protected:
        virtual std::string say_hello();    // 後で拡張するためにvirtual
        virtual std::string say_goodbye();  // 同上

    private:
        int         to_server_[2];
        int         to_client_[2];
        std::thread thread_;
    };
    //  example/design_pattern/wrapped_server.cpp 8

    namespace {
    enum class Cmd {
        ...
    };

    struct Packet {
        Cmd cmd;
    };
    }  // namespace

    // 以下、bare_server_wrapper.cppのコードとほぼ同じであるため省略。

    ...

WrappedServerの使用例を下記する。当然ながらbare_wrapper_client()とほぼ同様になる。

    //  example/design_pattern/proxy_ut.cpp 75

    /// @brief 非同期サービスを隠蔽しているWrappedServerを使用したときのクライアントの例
    std::vector<std::string> wrapped_client(WrappedServer& ws)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        ws.Start();

        ret.emplace_back(ws.SayHello());

        ret.emplace_back(ws.SayGoodbye());

        ws.Shutdown();

        return ret;
    }

WrappedServerが提供する機能はスレッド間通信を含むため処理コストが高い。 その対策として、サーバから送られてきた文字列をキャッシュするクラス(Proxyパターン)の導入により、 そのコストを削減する例を下記する。

    //  example/design_pattern/wrapped_server_proxy.h 7

    class WrappedServerProxy final : public WrappedServer {
    public:
        WrappedServerProxy() = default;

    private:
        std::string         hello_cashe_{};
        virtual std::string say_hello() override;
        virtual std::string say_goodbye() override;
    };
    //  example/design_pattern/wrapped_server_proxy.cpp 7

    std::string WrappedServerProxy::say_hello()
    {
        if (hello_cashe_.size() == 0) {
            hello_cashe_ = WrappedServer::say_hello();  // キャッシュとし保存
        }

        return hello_cashe_;
    }

    std::string WrappedServerProxy::say_goodbye()
    {
        hello_cashe_ = std::string{};  // helloキャッシュをクリア

        return WrappedServer::say_goodbye();
    }

下記図のようにWrappedServerProxyはWrappedServerからのパブリック継承であるため、 WrappedServerのクライアントは、そのままWrappedServerProxyのクライアントとして利用できる。

なお、正確には下記のようなクラス構造をProxyパターンと呼ぶことが多いが、 ここでは単純さを優先した。

演習-Proxy

Strategy

関数f(args)の振る舞いが、

に分けられるような場合、関数fを

に分割し、下記のように、Strategyオブジェクトをgの引数として外部から渡せるようにしたパターンである (std::sort()のようなパターン)。

    g(args, Strategyオブジェクト)

Strategyオブジェクトにいろいろなバリエーションがある場合、このパターンを使うと良い。 なお、このパターンの対象はクラスになる場合もある。

「ディレクトリをリカーシブに追跡し、引数で指定された属性にマッチしたファイルの一覧を返す関数」 を開発することを要求されたとする。

まずは、拡張性のない実装例を示す。

    //  example/design_pattern/find_files_old_style.h 4

    /// @enum FindCondition
    /// find_files_recursivelyの条件
    enum class FindCondition {
        File,              ///< pathがファイル
        Dir,               ///< pathがディレクトリ
        FileNameHeadIs_f,  ///< pathがファイル且つ、そのファイル名の先頭が"f"
    };
    //  example/design_pattern/find_files_old_style.cpp 9

    /// @brief 条件にマッチしたファイルをリカーシブに探して返す
    /// @param path      リカーシブにディレクトリをたどるための起点となるパス
    /// @param condition どのようなファイルかを指定する
    /// @return 条件にマッチしたファイルをstd::vector<std::string>で返す
    std::vector<std::string> find_files_recursively(std::string const& path, FindCondition condition)
    {
        auto files = std::vector<fs::path>{};

        // recursive_directory_iteratorはファイルシステム依存するため、その依存を排除する他の処理
        std::copy(fs::recursive_directory_iterator{path}, fs::recursive_directory_iterator{},
                  std::back_inserter(files));

        std::sort(files.begin(), files.end());

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        std::for_each(files.begin(), files.end(), [&](fs::path const& p) noexcept {
            auto is_match = false;

            switch (condition) {
            case FindCondition::File:
                if (fs::is_regular_file(p)) {
                    is_match = true;
                }
                break;
            case FindCondition::Dir:
                if (fs::is_directory(p)) {
                    is_match = true;
                }
                break;
                ...
            }

            if (is_match) {
                ret.emplace_back(p.generic_string());
            }
        });

        return ret;
    }
    //  example/design_pattern/find_files_ut.cpp 29

    TEST(Strategy, old_style)
    {
        assure_test_files_exist();  // test用のファイルがあることの確認

        auto const files_actual = find_files_recursively(test_dir, FindCondition::File);
        auto const files_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0/file2",
            test_dir + "dir0/gile3",
            test_dir + "dir1/dir2/file4",
            test_dir + "file0",
            test_dir + "gile1"
        });
        ASSERT_EQ(files_expect, files_actual);

        auto const dirs_actual = find_files_recursively(test_dir, FindCondition::Dir);
        auto const dirs_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0",
            test_dir + "dir1",
            test_dir + "dir1/dir2"
        });
        ASSERT_EQ(dirs_expect, dirs_actual);

        auto const f_actual = find_files_recursively(test_dir, FindCondition::FileNameHeadIs_f);
        auto const f_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0/file2",
            test_dir + "dir1/dir2/file4",
            test_dir + "file0"
        });
        ASSERT_EQ(f_expect, f_actual);
    }

この関数は、見つかったファイルが「引数で指定された属性」にマッチするかどうかを検査する。 検査は、「引数で指定された属性」に対するswitch文によって行われる。 これにより、この関数は「引数で指定された属性」の変更に強く影響を受ける。

下記は、この関数にStrategyパターンを適用したものである。

    //  example/design_pattern/find_files_strategy.h 7

    /// @typedef find_condition
    /// @brief find_files_recursively仮引数conditionの型(関数オブジェクトの型)
    using find_condition = std::function<bool(std::filesystem::path const&)>;

    // Strategyパターン
    /// @fn std::vector<std::string> find_files_recursively(std::string const& path,
    ///                                                     find_condition     condition);
    /// @brief 条件にマッチしたファイルをリカーシブに探索して返す
    /// @param path      リカーシブにディレクトリを辿るための起点となるパス
    /// @param condition 探索するファイルの条件
    /// @return 条件にマッチしたファイルをstd::vector<std::string>で返す
    extern std::vector<std::string> find_files_recursively(std::string const& path,
                                                           find_condition     condition);
    //  example/design_pattern/find_files_strategy.cpp 6

    std::vector<std::string> find_files_recursively(std::string const& path, find_condition condition)
    {
        namespace fs = std::filesystem;

        auto files = std::vector<fs::path>{};

        // recursive_directory_iteratorはファイルシステム依存するため、その依存を排除する他の処理
        std::copy(fs::recursive_directory_iterator{path}, fs::recursive_directory_iterator{},
                  std::back_inserter(files));

        std::sort(files.begin(), files.end());

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        std::for_each(files.cbegin(), files.cend(), [&](fs::path const& p) {
            if (condition(p)) {
                ret.emplace_back(p.generic_string());
            }
        });

        return ret;
    }
    //  example/design_pattern/find_files_ut.cpp 69

    TEST(Strategy, strategy_lamda)
    {
        namespace fs = std::filesystem;

        assure_test_files_exist();  // test用のファイルがあることの確認

        // ラムダ式で実装
        auto const files_actual = find_files_recursively(
            test_dir, [](fs::path const& p) noexcept { return fs::is_regular_file(p); });

        auto const files_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0/file2",
            test_dir + "dir0/gile3",
            test_dir + "dir1/dir2/file4",
            test_dir + "file0",
            test_dir + "gile1"
        });
        ASSERT_EQ(files_expect, files_actual);

        auto const dirs_actual = find_files_recursively(
            test_dir, [](fs::path const& p) noexcept { return fs::is_directory(p); });
        auto const dirs_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0",
            test_dir + "dir1",
            test_dir + "dir1/dir2"
        });
        ASSERT_EQ(dirs_expect, dirs_actual);

        auto const f_actual = find_files_recursively(test_dir, [](fs::path const& p) noexcept {
            return p.filename().generic_string()[0] == 'f';
        });

        auto const f_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0/file2",
            test_dir + "dir1/dir2/file4",
            test_dir + "file0"
        });
        ASSERT_EQ(f_expect, f_actual);
    }

    /// @brief find_files_recursivelyの第2仮引数に渡すためのファイル属性を決める関数
    bool condition_func(std::filesystem::path const& path)
    {
        return path.filename().generic_string().at(0) == 'f';
    }

    TEST(Strategy, strategy_func_pointer)
    {
        assure_test_files_exist();  // test用のファイルがあることの確認

        // FindCondition::FileNameHeadIs_fで行ったことを関数ポインタで実装。
        auto const f_actual = find_files_recursively(test_dir, condition_func);
        auto const f_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0/file2",
            test_dir + "dir1/dir2/file4",
            test_dir + "file0"
        });
        ASSERT_EQ(f_expect, f_actual);
    }

    /// @brief
    ///  find_files_recursivelyの第2仮引数に渡すためのファイル属性を決める関数オブジェクトクラス。
    ///  検索条件に状態が必要な場合、関数オブジェクトを使うとよい。
    class ConditionFunctor {
    public:
        ConditionFunctor()  = default;
        ~ConditionFunctor() = default;

        /// @brief 先頭が'f'のファイルを最大2つまで探す
        bool operator()(std::filesystem::path const& path)
        {
            if (path.filename().generic_string().at(0) != 'f') {
                return false;
            }

            return ++count_ < 3;
        }

    private:
        int32_t count_{0};
    };

    TEST(Strategy, strategy_func_obj)
    {
        // 条件に状態が必要な場合(この例では最大2つまでを判断するのに状態が必要)、
        // 関数ポインタより、ファンクタの方が便利。
        auto const f_actual = find_files_recursively(test_dir, ConditionFunctor{});
        auto const f_expect = sort(std::vector{
            test_dir + "dir0/file2",
            test_dir + "dir1/dir2/file4",
        });
        ASSERT_EQ(f_expect, f_actual);
    }

捜査対象のファイル属性の指定をfind_files_recursively()の外に出しため、 その属性の追加に対して「オープン・クローズドの原則(OCP)」に対応した構造となった。

なお、上記find_files_recursivelyの第2パラメータをテンプレートパラメータとすることで、

    //  example/design_pattern/find_files_strategy.h 23

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    // ファンクタがboolを返し、std::filesystem::path const&を引数に取るかを確認するコンセプト
    namespace Inner_ {
    template <typename F>
    concept find_condition = requires(F f, std::filesystem::path const& p)
    {
        { f(p) } -> std::same_as<bool>;
    };
    }  // namespace Inner_

    template <Inner_::find_condition F>
    auto find_files_recursively2(std::string const& path, F condition)
        -> std::enable_if_t<std::is_invocable_r_v<bool, F, std::filesystem::path const&>,
                            std::vector<std::string>>

    #else  // c++17
    template <typename F>  // Fはファンクタ
    auto find_files_recursively2(std::string const& path, F&& condition) -> std::vector<std::string>
    #endif
    {
        namespace fs = std::filesystem;

        auto files = std::vector<fs::path>{};

        // recursive_directory_iteratorでディレクトリ内のファイルを再帰的に取得
        std::copy(fs::recursive_directory_iterator{path}, fs::recursive_directory_iterator{},
                  std::back_inserter(files));

        std::sort(files.begin(), files.end());  // ファイルリストをソート

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        std::for_each(files.cbegin(), files.cend(), [&](fs::path const& p) {
            if (condition(p)) {  // 条件を満たすファイルをretに追加
                ret.emplace_back(p.generic_string());
            }
        });

        return ret;
    }

のように書くこともできる。

次に示すのは、このパターンを使用して、プリプロセッサ命令を排除するリファクタリングの例である。

まずは、出荷仕分け向けのプリプロセッサ命令をロジックの内部に記述している問題のあるコードを示す。 このようなオールドスタイルなコードは様々な開発阻害要因になるため、避けるべきである。

    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 11

    class X {
    public:
        X() = default;

        int32_t DoSomething()
        {
            int32_t ret{0};

    #if SHIPPING == SHIP_TO_JAPAN
            // 日本向けの何らかの処理
    #elif SHIPPING == SHIP_TO_US
            // US向けの何らかの処理
    #elif SHIPPING == SHIP_TO_JAPAN
            // EU向けの何らかの処理
    #else
    #error "SHIPPING must be defined"
    #endif
            return ret;
        }

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 43

    X x;

    x.DoSomething();

このコードは、Strategyを使用し以下のようにすることで、改善することができる。

    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 56

    class ShippingOp {
    public:
        virtual int32_t DoSomething() = 0;
        virtual ~ShippingOp()         = default;
    };

    class X {
    public:
        X() = default;

        int32_t DoSomething(ShippingOp& shipping)
        {
            int32_t ret = shipping.DoSomething();

            // 何らかの処理

            return ret;
        }

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 81

    class ShippingOp_Japan : public ShippingOp {
    public:
        ShippingOp_Japan();
        int32_t DoSomething() override;
        ~ShippingOp_Japan() override;

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 100

    X                x;
    ShippingOp_Japan sj;

    x.DoSomething(sj);

あるいは、DI(dependency injection)と組み合わせて、下記のような改善も有用である。

    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 112

    class ShippingOp {
    public:
        virtual int32_t DoSomething() = 0;
        virtual ~ShippingOp()         = default;
    };

    class X {
    public:
        explicit X(std::unique_ptr<ShippingOp> shipping) : shipping_{std::move(shipping)} {}

        int32_t DoSomething()
        {
            int32_t ret = shipping_->DoSomething();

            // 何らかの処理

            return ret;
        }

    private:
        std::unique_ptr<ShippingOp> shipping_;
        // 何らかの宣言
    };
    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 138

    class ShippingOp_Japan : public ShippingOp {
    public:
        ShippingOp_Japan();
        int32_t DoSomething() override;
        ~ShippingOp_Japan() override;

    private:
        // 何らかの宣言
    };
    //  example/design_pattern/strategy_shipping_ut.cpp 157

    X x{std::unique_ptr<ShippingOp>(new ShippingOp_Japan)};

    x.DoSomething();

演習-Strategy

Visitor

このパターンは、クラス構造とそれに関連するアルゴリズムを分離するためのものである。

最初に 「クラス構造とそれに関連するアルゴリズムは分離できているが、 それ以前にオブジェクト指向の原則に反している」 例を示す。

    //  example/design_pattern/visitor.cpp 42

    /// @brief
    ///  ファイルシステムの構成物(ファイル、ディレクトリ等)を表すクラスの基底クラス
    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string pathname) : pathname_{std::move(pathname)} {}
        virtual ~FileEntity() {}
        std::string const& Pathname() const { return pathname_; }

        ...

    private:
        std::string const pathname_;
    };

    class File final : public FileEntity {
        ...
    };

    class Dir final : public FileEntity {
        ...
    };

    class OtherEntity final : public FileEntity {
        ...
    };

    class Printer {
    public:
        static void PrintPathname1(FileEntity const& file_entity)
        {
            if (typeid(File) == typeid(file_entity)) {
                std::cout << file_entity.Pathname();
            }
            else if (typeid(Dir) == typeid(file_entity)) {
                std::cout << file_entity.Pathname() + "/";
            }
            else if (typeid(OtherEntity) == typeid(file_entity)) {
                std::cout << file_entity.Pathname() + "(o1)";
            }
            else {
                assert(false);
            }
        }

        static void PrintPathname2(FileEntity const& file_entity)
        {
            if (typeid(File) == typeid(file_entity)) {
                std::cout << file_entity.Pathname();
            }
            else if (typeid(Dir) == typeid(file_entity)) {
                std::cout << find_files(file_entity.Pathname());
            }
            else if (typeid(OtherEntity) == typeid(file_entity)) {
                std::cout << file_entity.Pathname() + "(o2)";
            }
            else {
                assert(false);
            }
        }
    };

下記クラス図からもわかる通り、ポリモーフィズムに反したこのような構造は複雑な依存関係を作り出す。 このアンチパターンにより同型の条件文が2度出てきてしまうため、 Printerのアルゴリズム関数が増えれば、この繰り返しはそれに比例して増える。 またFileEntityの派生が増えれば、それら条件文はすべて影響を受ける。 このようなソースコードは、このようにして等比級数的に複雑化する。

これをポリモーフィズムの導入で解決した例を示す。

    //  example/design_pattern/visitor.cpp 142

    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string pathname) : pathname_{std::move(pathname)} {}
        ...
        virtual void PrintPathname1() const = 0;
        virtual void PrintPathname2() const = 0;

    private:
        std::string const pathname_;
    };

    class File final : public FileEntity {
    public:
        ...
        virtual void PrintPathname1() const override { std::cout << Pathname(); }
        virtual void PrintPathname2() const override { std::cout << Pathname(); }
    };

    class Dir final : public FileEntity {
    public:
        ...
        virtual void PrintPathname1() const override { std::cout << Pathname() + "/"; }
        virtual void PrintPathname2() const override { std::cout << find_files(Pathname()); }
    };

    class OtherEntity final : public FileEntity {
    public:
        ...
        virtual void PrintPathname1() const override { std::cout << Pathname() + "(o1)"; }
        virtual void PrintPathname2() const override { std::cout << Pathname() + "(o2)"; }
    };

    class Printer {
    public:
        static void PrintPathname1(FileEntity const& file_entity) { file_entity.PrintPathname1(); }
        static void PrintPathname2(FileEntity const& file_entity) { file_entity.PrintPathname2(); }
    };

上記例では、PrinterのアルゴリズムをFileEntityの各派生クラスのメンバ関数で実装することで、 Printerの各関数は単純化された。

これはポリモーフィズムによるリファクタリングの良い例と言えるが、 SRP(「単一責任の原則(SRP)」)に反するため、 Printerの関数が増えるたびにPrintPathname1、 PrintPathname2のようなFileEntityのインターフェースが増えてしまう。

このようなインターフェースの肥大化に対処するパターンがVisitorである。

上記例にVisitorを適用してリファクタリングした例を示す。

    //  example/design_pattern/visitor.h 9

    class FileEntityVisitor {
    public:
        virtual void Visit(File const&)        = 0;
        virtual void Visit(Dir const&)         = 0;
        virtual void Visit(OtherEntity const&) = 0;
        ...
    };

    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string pathname) : pathname_{std::move(pathname)} {}
        ...
        std::string const& Pathname() const { return pathname_; }

        virtual void Accept(FileEntityVisitor&) const = 0;  // Acceptの仕様は安定しているので
                                                            // NVIは使わない。
    private:
        std::string const pathname_;
    };

    class File final : public FileEntity {
    public:
        using FileEntity::FileEntity;
        virtual void Accept(FileEntityVisitor& visitor) const override { visitor.Visit(*this); }
    };

    class Dir final : public FileEntity {
    public:
        using FileEntity::FileEntity;
        virtual void Accept(FileEntityVisitor& visitor) const override { visitor.Visit(*this); }
    };

    class OtherEntity final : public FileEntity {
    public:
        using FileEntity::FileEntity;
        virtual void Accept(FileEntityVisitor& visitor) const override { visitor.Visit(*this); }
    };

    class PathnamePrinter1 final : public FileEntityVisitor {
    public:
        virtual void Visit(File const&) override;
        virtual void Visit(Dir const&) override;
        virtual void Visit(OtherEntity const&) override;
    };

    class PathnamePrinter2 final : public FileEntityVisitor {
    public:
        virtual void Visit(File const&) override;
        virtual void Visit(Dir const&) override;
        virtual void Visit(OtherEntity const&) override;
    };
    //  example/design_pattern/visitor.cpp 218

    void PathnamePrinter1::Visit(File const& file) { std::cout << file.Pathname(); }
    void PathnamePrinter1::Visit(Dir const& dir) { std::cout << dir.Pathname() + "/"; }
    void PathnamePrinter1::Visit(OtherEntity const& other) { std::cout << other.Pathname() + "(o1)"; }

    void PathnamePrinter2::Visit(File const& file) { std::cout << file.Pathname(); }
    void PathnamePrinter2::Visit(Dir const& dir) { std::cout << find_files(dir.Pathname()); }
    void PathnamePrinter2::Visit(OtherEntity const& other) { std::cout << other.Pathname() + "(o2)"; }

    class Printer {
    public:
        static void PrintPathname1(FileEntity const& file_entity)
        {
            auto visitor = PathnamePrinter1{};

            file_entity.Accept(visitor);
        }

        static void PrintPathname2(FileEntity const& file_entity)
        {
            auto visitor = PathnamePrinter2{};

            file_entity.Accept(visitor);
        }
    };

上記クラスの関係は下記のようになる。

このリファクタリングには、

という利点がある。 一方で、この程度の複雑さの(単純な)例では、Visitorの適用によって以前よりも構造が複雑になり、 改悪してしまった可能性があるため、デザインパターンを使用する場合には注意が必要である。

なお、上記の抜粋である下記コード

    //  example/design_pattern/visitor.h 39

    virtual void Accept(FileEntityVisitor& visitor) const override { visitor.Visit(*this); }

はコードクローンだが、thisの型が違うため、 各Acceptが呼び出すFileEntityVisitor::Visit()も異り、単純に統一することはできない。 これを改めるためには、「CRTP(curiously recurring template pattern)」が必要になる。

次に示すソースコードはVisitorとは関係がないが、 FileEntityVisitorから派生するクラスを下記クラス図が示すように改善することで、 単体テストが容易になる例である(「DI(dependency injection)」参照)。

    //  example/design_pattern/visitor.h 72

    class TestablePrinter : public FileEntityVisitor {
    public:
        explicit TestablePrinter(std::ostream& os) : ostream_{os} {}

    protected:
        std::ostream& ostream_;
    };

    class TestablePathnamePrinter1 final : public TestablePrinter {
    public:
        explicit TestablePathnamePrinter1(std::ostream& os) : TestablePrinter{os} {}
        virtual void Visit(File const& file) override;
        virtual void Visit(Dir const& dir) override;
        virtual void Visit(OtherEntity const& other) override;
    };

    class TestablePathnamePrinter2 final : public TestablePrinter {
    public:
        explicit TestablePathnamePrinter2(std::ostream& os) : TestablePrinter{os} {}
        virtual void Visit(File const& file) override;
        virtual void Visit(Dir const& dir) override;
        virtual void Visit(OtherEntity const& other) override;
    };
    //  example/design_pattern/visitor.cpp 245

    void TestablePathnamePrinter1::Visit(File const& file) { ostream_ << file.Pathname(); }
    void TestablePathnamePrinter1::Visit(Dir const& dir) { ostream_ << dir.Pathname() + "/"; }
    void TestablePathnamePrinter1::Visit(OtherEntity const& other)
    {
        ostream_ << other.Pathname() + "(o1)";
    }

    void TestablePathnamePrinter2::Visit(File const& file) { ostream_ << file.Pathname(); }

    void TestablePathnamePrinter2::Visit(Dir const& dir) { ostream_ << find_files(dir.Pathname()); }

    void TestablePathnamePrinter2::Visit(OtherEntity const& other)
    {
        ostream_ << other.Pathname() + "(o2)";
    }
    //  example/design_pattern/visitor_ut.cpp 28

    TEST(Visitor, testable_visitor)
    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        // 出力をキャプチャするため、std::coutに代えてossを使う
        auto visitor1 = TestablePathnamePrinter1{oss};
        auto visitor2 = TestablePathnamePrinter2{oss};

        auto file = File{"visitor.cpp"};
        {
            file.Accept(visitor1);
            ASSERT_EQ("visitor.cpp", oss.str());
            oss = {};
        }
        {
            file.Accept(visitor2);
            ASSERT_EQ("visitor.cpp", oss.str());
            oss = {};
        }

        auto dir = Dir{"find_files_ut_dir/dir0"};
        {
            dir.Accept(visitor1);
            ASSERT_EQ("find_files_ut_dir/dir0/", oss.str());
            oss = {};
        }
        {
            dir.Accept(visitor2);
            ASSERT_EQ("find_files_ut_dir/dir0/file2,find_files_ut_dir/dir0/gile3", oss.str());
            oss = {};
        }
    }

演習-Visitor

CRTP(curiously recurring template pattern)

CRTPとは、

    //  example/design_pattern/crtp_ut.cpp 8

    template <typename T>
    class Base {
        ...
    };

    class Derived : public Base<Derived> {
        ...
    };

のようなテンプレートによる再帰構造を用いて、静的ポリモーフィズムを実現するためのパターンである。

このパターンを用いて、「Visitor」のFileEntityの3つの派生クラスが持つコードクローン

    //  example/design_pattern/visitor.h 39

    virtual void Accept(FileEntityVisitor& visitor) const override { visitor.Visit(*this); }

を解消した例を以下に示す。

    //  example/design_pattern/crtp.h 31

    class FileEntity {  // VisitorのFileEntityと同じ
    public:
        explicit FileEntity(std::string&& pathname) : pathname_{std::move(pathname)} {}
        virtual ~FileEntity() {}
        std::string const& Pathname() const { return pathname_; }

        virtual void Accept(FileEntityVisitor&) const = 0;  // Acceptの仕様は安定しているので
                                                            // NVIは使わない。
    private:
        std::string const pathname_;
    };

    template <typename T>
    class AcceptableFileEntity : public FileEntity {  // CRTP
    public:
        virtual void Accept(FileEntityVisitor& visitor) const override
        {
            visitor.Visit(*static_cast<T const*>(this));
        }

    private:
        // T : public AcceptableFileEntity<T> { ... };
        // 以外の使い方をコンパイルエラーにする
        AcceptableFileEntity(std::string&& pathname) : FileEntity{std::move(pathname)} {}
        friend T;
    };

    class File final : public AcceptableFileEntity<File> {  // CRTPでクローンを解消
    public:
        explicit File(std::string pathname) : AcceptableFileEntity{std::move(pathname)} {}
    };

    class Dir final : public AcceptableFileEntity<Dir> {  // CRTPでクローンを解消
    public:
        explicit Dir(std::string pathname) : AcceptableFileEntity{std::move(pathname)} {}
    };

    class OtherEntity final : public AcceptableFileEntity<OtherEntity> {  // CRTPでクローンを解消
    public:
        explicit OtherEntity(std::string pathname) : AcceptableFileEntity{std::move(pathname)} {}
    };

Observer

Observerは、クラスSubjectと複数のクラスObserverN(N = 0, 1, 2 …)があり、 この関係が下記の条件を満たさなければならない場合に使用されるパターンである。

GUIアプリケーションをMVCで実装する場合のModelがSubjectであり、 ViewがObserverNである。

まずは、このパターンを使用しない実装例を示す。

    //  example/design_pattern/observer_ng.h 6

    /// @brief SubjectNGからの変更通知をUpdate()で受け取る。
    ///        Observerパターンを使用しない例。
    class ObserverNG_0 {
    public:
        ObserverNG_0() = default;

        virtual void Update(SubjectNG const& subject)  // テストのためにvirtual
        {
            // 何らかの処理
        }

        virtual ~ObserverNG_0() = default;
        // 何らかの定義、宣言
    };

    class ObserverNG_1 {
    public:
        ...
    };

    class ObserverNG_2 {
    public:
        ...
    };
    //  example/design_pattern/observer_ng.cpp 6

    void ObserverNG_1::Update(SubjectNG const& subject)
    {
        ...
    }

    void ObserverNG_2::Update(SubjectNG const& subject)
    {
        ...
    }
    //  example/design_pattern/subject_ng.h 9

    /// @class SubjectNG
    /// @brief 監視されるクラス。SetNumでの状態変更をObserverNG_Nに通知する。
    ///        Observerパターンを使用しない例。
    class SubjectNG final {
    public:
        explicit SubjectNG(ObserverNG_0& ng_0, ObserverNG_1& ng_1, ObserverNG_2& ng_2) noexcept
            : num_{0}, ng_0_{ng_0}, ng_1_{ng_1}, ng_2_{ng_2}
        {
        }

        void SetNum(uint32_t num);
        ...
    };
    //  example/design_pattern/subject_ng.cpp 4

    void SubjectNG::SetNum(uint32_t num)
    {
        if (num_ == num) {
            return;
        }

        num_ = num;

        notify();  // subjectが変更されたことをobserverへ通知
    }

    void SubjectNG::notify()
    {
        ng_0_.Update(*this);
        ng_1_.Update(*this);
        ng_2_.Update(*this);
    }
    //  example/design_pattern/observer_ut.cpp 15

    struct ObserverNG_0_Test : ObserverNG_0 {  // テスト用クラス
        virtual void Update(SubjectNG const& subject) final
        {
            ++call_count;
            num = subject.GetNum();
        }

        uint32_t                call_count{0};
        std::optional<uint32_t> num{};
    };

    auto ng0 = ObserverNG_0_Test{};
    auto ng1 = ObserverNG_1{};
    auto ng2 = ObserverNG_2{};

    auto subject = SubjectNG{ng0, ng1, ng2};

    ASSERT_EQ(0, ng0.call_count);  // まだ何もしていない
    ASSERT_FALSE(ng0.num);

    subject.SetNum(1);
    subject.SetNum(2);

    ASSERT_EQ(2, ng0.call_count);
    ASSERT_EQ(2, *ng0.num);

    subject.SetNum(2);  // 同じ値をセットしたため、Updateは呼ばれないはず
    ASSERT_EQ(2, ng0.call_count);
    ASSERT_EQ(2, *ng0.num);

上記実装例のクラス図を下記する。 これを見ればわかるように、クラスSubjectNGとクラスObserverNG_Nは相互依存しており、機能追加、 修正が難しいだけではなく、この図の通りにパッケージを分割した場合 (パッケージがライブラリとなると前提)、リンクすら難しくなる。

このようなクラス間の依存関係は下記のようにファイル間の依存関係に反映される。 このような相互依存は、差分ビルドの長時間化等の問題も引き起こす。

次に、上記にObserverパターンを適用した実装例 (Subjectを抽象クラスにすることもあるが、下記例ではSubjectを具象クラスにしている)を示す。

    //  example/design_pattern/observer_ok.h 3

    /// @brief SubjectOKからの変更通知をUpdate()で受け取る。
    ///        Observerパターンの使用例。
    class ObserverOK_0 : public Observer {
        ...
    private:
        virtual void update(SubjectOK const& subject) override;
    };

    class ObserverOK_1 : public Observer {
        ...
    private:
        virtual void update(SubjectOK const& subject) override;
    };

    class ObserverOK_2 : public Observer {
        ...
    private:
        virtual void update(SubjectOK const& subject) override;
    };
    //  example/design_pattern/observer_ok.cpp 5

    void ObserverOK_0::update(SubjectOK const& subject)
    {
        ...
    }

    void ObserverOK_1::update(SubjectOK const& subject)
    {
        ...
    }

    void ObserverOK_2::update(SubjectOK const& subject)
    {
        ...
    }
    //  example/design_pattern/subject_ok.h 8

    /// @brief 監視されるクラス。SetNumでの状態変更をObserverOK_Nに通知する。
    ///        Observerパターンの使用例。
    class SubjectOK final {
    public:
        SubjectOK() : observers_{}, num_{0} {}

        void SetNum(uint32_t num)
        {
            if (num_ == num) {
                return;
            }

            num_ = num;

            notify();  // subjectが変更されたことをobserverへ通知
        }

        void     Attach(Observer& observer);           // Observerの登録
        void     Detach(Observer& observer) noexcept;  // Observerの登録解除
        uint32_t GetNum() const noexcept { return num_; }

    private:
        void notify() const;

        std::list<Observer*> observers_;
        ...
    };

    /// @brief SubjectOKを監視するクラスの基底クラス
    class Observer {
    public:
        Observer() = default;
        void Update(SubjectOK const& subject) { update(subject); }

        ...
    private:
        virtual void update(SubjectOK const& subject) = 0;
        ...
    };
    //  example/design_pattern/subject_ok.cpp 3

    void SubjectOK::Attach(Observer& observer_to_attach) { observers_.push_back(&observer_to_attach); }

    void SubjectOK::Detach(Observer& observer_to_detach) noexcept
    {
        observers_.remove_if(
            [&observer_to_detach](Observer* observer) { return &observer_to_detach == observer; });
    }

    void SubjectOK::notify() const
    {
        for (auto observer : observers_) {
            observer->Update(*this);
        }
    }
    //  example/design_pattern/observer_ut.cpp 51

    struct ObserverOK_Test : Observer {  // テスト用クラス
        virtual void update(SubjectOK const& subject) final
        {
            ++call_count;
            num = subject.GetNum();
        }

        uint32_t                call_count{0};
        std::optional<uint32_t> num{};
    };

    auto ok0 = ObserverOK_Test{};
    auto ok1 = ObserverOK_1{};
    auto ok2 = ObserverOK_2{};

    auto subject = SubjectOK{};

    subject.Attach(ok0);
    subject.Attach(ok1);
    subject.Attach(ok2);

    ASSERT_EQ(0, ok0.call_count);  // まだ何もしていない
    ASSERT_FALSE(ok0.num);

    subject.SetNum(1);
    subject.SetNum(2);

    ASSERT_EQ(2, ok0.call_count);
    ASSERT_EQ(2, *ok0.num);

    subject.SetNum(2);  // 同じ値をセットしたため、Updateは呼ばれないはず
    ASSERT_EQ(2, ok0.call_count);
    ASSERT_EQ(2, *ok0.num);

上記実装例のクラス図を下記する。 Observerパターンを使用しない例と比べると、 クラスSubjectOKとクラスObserverOK_Nとの相互依存が消えたことがわかる。

最後に、上記のファイルの依存関係を示す。 ファイル(パッケージ)の依存関係においてもSubjectOKはObserverOKに依存していないことがわかる (MVCに置き換えると、ModelはViewに依存していない状態であるといえる)。

演習-Observer

MVC

MVCはデザインパターンと言うよりもアーキテクチャパターンである。 一般にGUIアプリケーションのアーキテクチャに使用されるが、 外部からの非同期要求を処理するアプリケーションのアーキテクチャにも相性が良い。

MVCのそれぞれのアルファベットの意味は、下記テーブルの通りである。

MVC 主な役割
M Model ビジネスロジックの処理
V View UIへの出力
C Controller 入力をModelへ送信

下記はMVCの概念モデルである(矢印は制御の流れであって、依存関係ではない)。

制御の流れは、

  1. ユーザの入力に応じてControllerのメソッドが呼び出される。
  2. Controllerのメソッドは、ユーザの入力に応じた引数とともにModelのメソッドを呼び出す。
  3. Modelは、それに対応するビジネスロジック等の処理を(通常、非同期に)行い、 自分自身の状態を変える(変わらないこともある)。
  4. Modelの状態変化は、そのModelのオブザーバーとして登録されているViewに通知される。
  5. Viewは関連するデータをModelから取得し、それを出力(UIに表示)する。

ViewはModelのObserverであるため、ModelはViewへ依存しない。 多々あるMVC派生パターンすべてで、そのような依存関係は存在しない (具体的なパターンの選択はプロジェクトで使用するGUIフレームワークに強く依存する)。

そのようにする理由は下記の通りで、極めて重要な規則である。

演習-デザインパターン選択1
演習-デザインパターン選択2
演習-デザインパターン選択3

Cでのクラス表現

このドキュメントは、C++でのソフトウェア開発を前提としているため、 ここで示したコードもC++で書いているが、

ような目的のためにCでのクラスの実現方法を例示する。

下記のような基底クラスPointとその派生クラスPoint3Dがあった場合、

C++では、Pointのコードは下記のように表すことが一般的である。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 7

    class Point {
    public:
        explicit Point(int x, int y) noexcept : x_{x}, y_{y} {}
        virtual ~Point() = default;

        void SetXY(int x, int y) noexcept
        {
            x_ = x;
            y_ = y;
        }

        void GetXY(int& x, int& y) const noexcept
        {
            x = x_;
            y = y_;
        }

        virtual int Quantity() const noexcept { return x_ * y_; }

        virtual void Multipy(int m) noexcept
        {
            x_ *= m;
            y_ *= m;
        }

    private:
        int x_;
        int y_;
    };

この単体テストは、下記のようになる。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 42

    Point a{1, 2};

    int x;
    int y;
    a.GetXY(x, y);
    ASSERT_EQ(x, 1);
    ASSERT_EQ(y, 2);

    a.SetXY(3, 4);

    a.GetXY(x, y);
    ASSERT_EQ(x, 3);
    ASSERT_EQ(y, 4);

    ASSERT_EQ(a.Quantity(), 12);

    a.Multipy(2);
    ASSERT_EQ(a.Quantity(), 48);

これをCで表した場合、下記のようになる。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 124

    struct Point {
        int x;
        int y;

        int (*const Quantity)(Point const* self);
        void (*const Multipy)(Point* self, int m);
    };

    static int point_quantity(Point const* self) { return self->x * self->y; }

    static void point_multipy(Point* self, int m)
    {
        self->x *= m;
        self->y *= m;
    }

    Point Point_Construct(int x, int y)
    {
        Point ret = {x, y, point_quantity, point_multipy};  // C言語のつもり

        return ret;
    }

    void Point_SetXY(Point* self, int x, int y)
    {
        self->x = x;
        self->y = y;
    }

    void Point_GetXY(Point* self, int* x, int* y)
    {
        *x = self->x;
        *y = self->y;
    }

C++のメンバ関数はプログラマから見えない引数thisを持つ。 これを表したものが各関数の第1引数selfである。 また、ポリモーフィックな関数は関数ポインタで、 非ポリモーフィックな関数は通常の関数で表される。

この単体テストは、下記のようになる。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 164

    Point a = Point_Construct(1, 2);

    int x;
    int y;

    Point_GetXY(&a, &x, &y);
    ASSERT_EQ(x, 1);
    ASSERT_EQ(y, 2);

    Point_SetXY(&a, 3, 4);

    Point_GetXY(&a, &x, &y);
    ASSERT_EQ(x, 3);
    ASSERT_EQ(y, 4);

    ASSERT_EQ(a.Quantity(&a), 12);

    a.Multipy(&a, 2);
    ASSERT_EQ(a.Quantity(&a), 48);

Pointから派生したクラスPoint3DのC++での実装を以下に示す。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 65

    class Point3D : public Point {
    public:
        explicit Point3D(int x, int y, int z) noexcept : Point{x, y}, z_{z} {}

        void SetXYZ(int x, int y, int z) noexcept
        {
            SetXY(x, y);
            z_ = z;
        }

        void GetXYZ(int& x, int& y, int& z) const noexcept
        {
            GetXY(x, y);
            z = z_;
        }

        virtual int Quantity() const noexcept override { return Point::Quantity() * z_; }

        virtual void Multipy(int m) noexcept override
        {
            Point::Multipy(m);
            z_ *= m;
        }

    private:
        int z_;
    };

この単体テストは、下記のようになる。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 98

    auto  a = Point3D{1, 2, 3};
    auto& b = a;

    auto x = int{};
    auto y = int{};
    b.GetXY(x, y);
    ASSERT_EQ(x, 1);
    ASSERT_EQ(y, 2);

    b.SetXY(3, 4);

    b.GetXY(x, y);
    ASSERT_EQ(x, 3);
    ASSERT_EQ(y, 4);

    ASSERT_EQ(b.Quantity(), 36);

    b.Multipy(2);
    ASSERT_EQ(b.Quantity(), 288);

これをCで実装したものが下記である。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 188

    struct Point3D {
        Point point;
        int   z;
    };

    static int point3d_quantity(Point const* self)
    {
        Point3D const* self_derived = (Point3D const*)self;

        return point_quantity(self) * self_derived->z;
    }

    static void point3d_multipy(Point* self, int m)
    {
        point_multipy(self, m);

        Point3D* self_derived = (Point3D*)self;

        self_derived->z *= m;
    }

    Point3D Point3D_Construct(int x, int y, int z)
    {
        Point3D ret{{x, y, point3d_quantity, point3d_multipy}, z};

        return ret;
    }

この単体テストは、下記のようになる。

    //  example/design_pattern/class_ut.cpp 221

    Point3D a = Point3D_Construct(1, 2, 3);
    Point*  b = &a.point;

    int x;
    int y;

    Point_GetXY(b, &x, &y);
    ASSERT_EQ(x, 1);
    ASSERT_EQ(y, 2);

    Point_SetXY(b, 3, 4);

    Point_GetXY(b, &x, &y);
    ASSERT_EQ(x, 3);
    ASSERT_EQ(y, 4);

    ASSERT_EQ(b->Quantity(b), 36);

    b->Multipy(b, 2);
    ASSERT_EQ(b->Quantity(b), 288);

以上からわかる通り、Cでのクラス実装はC++のものに比べ、

等といった問題があるため、「何らかの事情でC++が使えない」チームは、 なるべく早い時期にその障害を乗り越えることをお勧めする。

どうしてもその障害を超えられない場合は、 モダンC言語プログラミング が役に立つだろう。

アーキテクチャ

この章ではソフトウェアアーキテクチャについて考察する。

以下のwikipedia からの引用にあるように、

    ソフトウェアアーキテクチャ(英: Software Architecture)は、
    ソフトウェアコンポーネント、それらの外部特性、またそれらの相互関係から構成される。
    また、この用語はシステムのソフトウェアアーキテクチャの文書化を意味することもある。 

    ... 中略 ...

    ただし、今までのところ、「ソフトウェアアーキテクチャ」という用語に関して、
    万人が合意した厳密な定義は存在しない。

プログラマは、ソフトウェアアーキテクチャ(以下、単にアーキテクチャ)について、 ある一定のイメージを持っているが、一元的な概念としては捉えていないと思われる。 したがって、アーキテクチャについて語る前に、ここで定義を明確にしておく必要がある。

このドキュメントの内容はアカデミックなものではなく、 日々行われるC++での開発の実践に即したものになるように努めてきたため、 アーキテクチャの定義もそのようになるべきだろう。

商業的に成功したソフトウェアは開発が継続され、その期間は10年を超えることが珍しくない。 そういった事情から、多くのプログラマには開発初期からソフトウェアを作った経験はなく、 その結果、開発前段で行われるアーキテクチャへの考察を行った経験もない。

このように考えると、彼らにとってのアーキテクチャは、目の前のソースコードが作り出す構造となるだろう。 目の前のソースコードが作り出す構造になるだろう。


この章の構成

   アーキテクチャの定義
   アーキテクチャの設計
    パッケージ図例
    シーケンス図例

   アーキテクチャとファイル構造
    Modelの非同期処理
    Viewの非同期処理

   アーキテクチャの見直し
    パッケージが大きくなりすぎる
    当初、想定していない依存関係が必要になる
    コードクローンが避けられない
    当初、想定していない非同期処理が必要になる

   アーキテクチャの再構築
    アーキテクチャ再構築の準備
    アーキテクチャ再構築のチーム編成
    アーキテクチャ再構築の手順

このドキュメントの構成に戻る。


アーキテクチャの定義

以上の考察からここでのアーキテクチャやそれにまつわる概念を以下のように定義する。

この定義により、アーキテクチャはUMLのパッケージ図/クラス図を使って視覚化できる。

アーキテクチャの設計

アーキテクチャ設計は、以下のような思考プロセスを繰り返すことで進められる。

  1. 要求仕様を理解する。
  2. 要求仕様からアーキテクチャに強い影響を与えると予想される下記のような要素について考察する。
  3. 非機能要件を掘り起こす。
  4. 下記を考慮したパッケージを定義し、上記の内容を分割して、パッケージに割り当てる。
  5. 下記のようなシナリオのプロトタイピングをする。

この繰り返しの中で、新たな要求仕様や非機能要件が見つかることはよくあることである。 その場合、当然その新規要件も要求仕様書に書き加える。

上記4の成果物として、下記のようなパッケージ図/クラス図を作る。 この場合のクラスは、概念を表すためのものであるため、 各パッケージの代表的なもののみを記述すればよい。

パッケージ図例

この時点で、パッケージ間に相互依存や循環依存があれば、 まず間違いなくそのアーキテクチャは使い物にならないため再考する。

コンウェイの法則で述べたように、 「組織に属する者はその組織構造を投射したアーキテクチャが正しいと思ってしまうバイアスを持つ」 ことに注意することも必要である。

このフェーズでパッケージの名前が決定されるが、適切な名前を選ぶことは大変難しい。 最適と思えるものが思い浮かばなければ、 後から修正することを前提に適当な名前を付けることがベストな戦略となり得るが、 パッケージの概念が固まっていない証拠ともなり得るため、難しい判断が求められる。

上記5の成果物として、 プロトタイピングで使用したシナリオを表す下記のような概念的なシーケンス図やアクティビティ図等を作る。

シーケンス図例

上記のようなダイアグラムは、

ため、

このようにしなければ、ダイアグラムのドローイング作業は無限に工数を吸収する沼となるだろう。

上記のステップを複数回、試行することにで、いくつかのプロトタイプコードが出来る。 この試行はアジャイル系プロセスと相性が良い。 一方で、ウォーターフォールモデル、V字モデルや、プロセスを決めない試行は、 沼にはまり込み大きく時間をロスする可能性が高い。

deps等のリバースエンジニアリングツールを使用し、 プロトタイプコードから生成したパッケージ図/クラス図が、 上記5の最終版のパッケージ図/クラス図と一致するのであれば、 一旦アーキテクチャの設計は終了し次のフェーズに進む。

アーキテクチャとファイル構造

プロトタイピングで開発したコードやビルドツールの設定を開発の起点にするためには、 下記のような、もうひと手間が必要である。

この作業の完了時、パッケージ図は下記のようになっているだろう。

    architecture
    ├── CMakeLists.txt
    ├── app
    │   └── main.cpp
    ├── controller
    │   ├── CMakeLists.txt              # controller.aのビルドcmake
    │   ├── h
    │   │   └── controller
    │   │       └── controller.h        # controller.aの機能の公開ヘッダ
    │   ├── src                         # controller.aの実装ファイル(*.h *.cpp)
    │   │   └── controller.cpp
    │   └── ut                          # controller.aの単体テスト
    │       └── controller_ut.cpp
    ├── model
    │   ├── CMakeLists.txt              # model.aのビルドcmake
    │   ├── h                           # model.aの機能の公開ヘッダ 
    │   │   └── model
    │   │       ├── model.h
    │   │       └── observer.h
    │   ├── src                         # model.aの実装ファイル(*.h *.cpp)
    │   │   ├── model.cpp
    │   │   └── observer.cpp
    │   │   └── x.cpp
    │   │   └── x.h
    │   └── ut                          # model.aの単体テスト
    │       └── model_ut.cpp
    └── view
        ├── CMakeLists.txt              # view.aのビルドcmake
        ├── h                           # view.aの機能の公開ヘッダ 
        │   └── view
        │       └── view.h
        ├── src                         # view.aの実装ファイル(*.h *.cpp)
        │   └── view.cpp
        └── ut                          # view.aの単体テスト
            └── view_ut.cpp

h/<パケージ名>に配置されたヘッダファイルは、 パッケージの外部からアクセスできるソフトウェア構成物を宣言、 定義する。その他に配置されたヘッダファイルは、パッケージ自身の実装用か、単体テスト用である。 ここで例示したアプリケーションはMVC構造であるため、 ディレクトリの依存関係は、下記の様になるはずである。

循環や相互依存が残ってしまう場合、「SOLID」に記載したコードのパターンや 「デザインパターン」が役立つはずである。

#includeで指定するパス名でのルールに従うことで、パケージの依存関係は、

    //  example/architecture/model/src/model.cpp 6

    #include <iterator>  // stdの使用

    #include "./x.h"             // ローカルヘッダの使用
    #include "logging/logger.h"  // logger.aの使用
    #include "model/model.h"     // model.aの使用

のようにコードに投影されるため、メンテナンス性や可読性が向上する。

従って、 各ライブラリのビルド毎にインクルードパスを設定できないようなビルドツールやIDEを使うべきではない (「エディタ/IDE」参照)。

Modelの非同期処理

前記したパッケージ図例シーケンス図例で示した通り、 GUIのボタン押下などによるControllerの呼び出しから、 呼び出されるModelオブジェクトのメンバ関数は非同期処理となることが求められることが多い。 このため、Modelクラスの構造はアクティブオブジェクトを生成できるようにスレッドを内包することになる。 こういった構造は定型となるため、そのコードを以下に例示する。

    //  example/architecture/model/h/model/model.h 15

    class Model {
    public:
        class Observer {
        public:
            virtual void Update(Model const& model) = 0;
            virtual ~Observer()                     = default;
        };

        struct msg_t {
            msg_t() : exec([] {}) {}
            msg_t(std::function<void()> exec) : exec{std::move(exec)} {}
            std::function<void()> exec;
        };

        Model() : worker_{&Model::worker_function, this} {}
        ~Model();

        bool ExecAsync(std::function<void()> exec);  // 非同期リクエスト
        bool IsBusy() const noexcept { return busy_; }

        void Sync();  // 非同期要求の完了待ち
        void Attach(std::unique_ptr<Observer>&& observer);

    private:
        std::thread       worker_;  // 非同期処理を実現するためのワーカスレッド
        std::atomic<bool> busy_ = false;      // ExecAsyncを受け付けるか否か
        std::atomic<bool> stop_ = false;      // worker_functionの終了変数
        void              worker_function();  // スレッドのメイン関数。msg_cv_でウエイト
        void              notify();           // observer::Updateの呼び出し

        std::list<Model::msg_t> msgs_{};     // 非同期要求はmsg_tとしてリスト化される
        std::mutex              msg_mtx_{};  // リスト処理の競合の保護
        std::condition_variable msg_cv_{};   // msgs_に追加されたことの通知

        std::list<std::unique_ptr<Model::Observer>> observers_{};
    };

ModelクラスにPimplを適用することでこのクラスの内部構造を隠蔽した方が良い場合もあるが、 ここでは例示するコードを単純にすることを優先する。

非同期処理のためのコードを以下に示す。

    //  example/architecture/model/src/model.cpp 34

    bool Model::ExecAsync(std::function<void()> exec)  // Modelに対する非同期要求
    {
        // 非同期要求のキューイングはしないが、キューイング可能に変更は容易
        if (busy_) {
            return false;
        }

        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock{msg_mtx_};
            msgs_.emplace_back(std::move(exec));
            busy_ = true;
        }
        msg_cv_.notify_one();

        return true;
    }
    //  example/architecture/model/src/model.cpp 53

    void Model::worker_function()  // スレッドのメイン関数
    {
        for (;;) {
            msg_t msg;
            {
                std::unique_lock<std::mutex> lock{msg_mtx_};
                msg_cv_.wait(lock, [&msgs = msgs_, &stop = stop_] { return !msgs.empty() || stop; });
                if (stop_ && msgs_.empty()) {
                    return;
                }

                msg = std::move(msgs_.front());
                msgs_.pop_front();
            }

            msg.exec();  // ExecAsync(exec)で渡された関数オブジェクトの非同期呼び出し
            busy_ = false;

            notify();  // オブザーバーへの通知処理
        }
    }
    //  example/architecture/model/src/model.cpp 77

    void Model::Attach(std::unique_ptr<Observer>&& observer)  // オブザーバーのアタッチ
    {
        observers_.emplace_back(std::move(observer));
    }

    void Model::notify()
    {
        for (auto const& observer : observers_) {
            observer->Update(*this);
        }
    }

以下に、単体テストによりModelの動作を示す。

    //  example/architecture/model/ut/model_ut.cpp 17

    class TestObserver : public Model::Observer {  // テスト用オブザーバー
    public:
        void          Update(const Model& model) override { ++update_counter_; }
        std::uint32_t update_counter_ = 0;
    };
    //  example/architecture/model/ut/model_ut.cpp 28

    Model         model{};
    int           exec_counter{};
    TestObserver* to = new TestObserver;  // 下のunique_ptrで管理

    model.Attach(std::unique_ptr<TestObserver>{to});  // オブザーバの登録

    ASSERT_FALSE(model.IsBusy());  // ビジーでないことの確認

    model.ExecAsync([&exec_counter]() {  // 非同期要求のテスト開始
        ++exec_counter;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        LOGGER("in ExecAsync");
    });

    ASSERT_TRUE(model.IsBusy());        // ラムダ内で100ms待つため、ビジーとなる
    ASSERT_EQ(to->update_counter_, 0);  // まだラムダが実行されていないはず

    ASSERT_FALSE(model.ExecAsync([&exec_counter]() {  // まだラムダが実行されていないはず
        ++exec_counter;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        LOGGER("in ExecAsync");
    }));

    model.Sync();  // 非同期要求の完了待ち
    ASSERT_EQ(exec_counter, 1);
    ASSERT_EQ(to->update_counter_, 1);  // オブザーバーのUpdateが呼ばれたことの確認

    model.ExecAsync([&exec_counter]() {
        ++exec_counter;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        LOGGER("in ExecAsync");
    });

以上からわかる通り、Modelはインスタンスごとにスレッドを持つため、 Observer::Updateはメインスレッドとはべつの様々なスレッドから呼び出されることになる。

Viewの非同期処理

Observerデザインパターンでは、Observerが監視しているSubjectの状態に変更があった場合、 Subject::notifyが呼び出され、その延長でObserver::Updateが呼び出されるような構造を持つ。 Subjectの状態変更や、Subjectのメンバ関数の戻り値をObserver::Updateの処理の一部として、 GUIや標準出力の更新をすることが一般的である。

MVCのような構造を持つアプリケーションでは、 ModelオブジェクトやViewオブジェクトを複数必要とする。 通常のViewオブジェクトは、GUIや標準出力はアプリケーション毎に唯一存在するため、 これら表示用リソースは複数のViewオブジェクトに共有されることになる。

以上の考察から明らかなったViewオブジェクトの制約を以下にまとめる。

この結果、Viewオブジェクトに共有されるは出力用リソースへのアクセスは、 それを防ぐための特別な構造を持たたないと競合を起こしてしまう。 競合を防ぐためにロックを多用するとコードが複雑になってしまうため、 出力用リソースへのアクセスは、 1つのスレッドにすることが競合を防ぐための最もシンプルな解になることが多い。

このようなクラス構造は、 Viewの非同期処理の例で示したクラス内と同じような構造となることが多いが、 また、出力リソースがアプリケーションに唯一であることから、出力を受け持つクラスを、 Singletonにすることが理にかなっているだろう。

これまでの考察から明らかになったViewの典型的なコードを以下に例示する。

    //  example/architecture/view/h/view/view.h 11

    class ViewCore {  // すべてのviewから保持される非同期出力オブジェクトを生成するためのシングルトン
    public:
        static ViewCore& Inst()
        {
            static ViewCore inst;
            return inst;
        }

        void ShowAsync(std::string&& msg);  // 非同期出力
        void Sync();                        // 非同期出力の同期待ち

        void SetOStream(std::ostream& ostream) { ostream_ = &ostream; }  // テスト用出力切り替え

    private:
        ViewCore(const ViewCore&) = delete;
        ViewCore(ViewCore&&)      = delete;
        ViewCore() : ostream_{&std::cout}, worker_{&ViewCore::worker_function, this} {}
        ~ViewCore();

        std::thread       worker_;        // 非出力を実現するためのワーカスレッド
        bool              busy_ = false;  // 非出力完了待ちに使用
        std::atomic<bool> stop_ = false;  // worker_functionの終了変数

        void show_msg(std::string const& msg)  // 非同期にmsgを出力
        {
            *ostream_ << msg;
            busy_ = false;
        }
        void worker_function();

        std::list<std::string>  msgs_{};
        std::condition_variable msg_cv_{};
        std::mutex              msg_mtx_{};

        std::ostream* ostream_;
    };
    //  example/architecture/view/h/view/view.h 51

    class View : public Model::Observer {
    public:
        View() : view_core_{ViewCore::Inst()} {}
        ~View() = default;
        void ShowAsync(std::string&& msg) { view_core_.ShowAsync(std::move(msg)); }
        void Sync() { view_core_.Sync(); }
        void Update(Model const& model) override { view_core_.ShowAsync("View updated"); }

    private:
        ViewCore& view_core_;  // すべての出力をViewCoreに委譲
    };
    //  example/architecture/view/src/view.cpp 16

    void ViewCore::ShowAsync(std::string&& msg)  // 非同期出力
    {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock{msg_mtx_};
            msgs_.push_back(std::move(msg));
            busy_ = true;
        }
        msg_cv_.notify_one();
    }

    void ViewCore::worker_function()
    {
        for (;;) {
            {
                std::unique_lock<std::mutex> lock{msg_mtx_};
                msg_cv_.wait(lock, [&msgs = msgs_, &stop = stop_] { return !msgs.empty() || stop; });
                if (stop_ && msgs_.empty()) {
                    return;
                }

                std::string msg = std::move(msgs_.front());

                LOGGER("Processing message", msg, ":busy", b2str(busy_));
                msgs_.pop_front();
                show_msg(msg);
            }
        }
    }

    void ViewCore::Sync()
    {
        for (;;) {
            if (!busy_) {  // busy_のポーリング
                return;
            }

            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        }
    }

    ViewCore::~ViewCore()
    {
        stop_ = true;
        msg_cv_.notify_one();
        worker_.join();
    }

以下の単体テストでviewの使用例を以下に示す。

    //  example/architecture/view/ut/view_ut.cpp 27

    std::ostringstream out;
    View               view{};

    ViewCore::Inst().SetOStream(out);  // 出力の切り替え
    const auto* str = "Output string to View";

    view.ShowAsync(str);  // 非同期出力
    view.Sync();          // 出力待ち
    ASSERT_EQ(out.str(), str);

アーキテクチャの見直し

ソフトウェアの成長に伴いアーキテクチャに下記のような綻びが発見されることは珍しいことではない。 このような綻びがプロジェクトの破綻を引き起こす前に手を入れなければならないことは言うまでもない。

パッケージが大きくなりすぎる

初期のアーキテクチャのパッケージ分割が不十分であることはよくあることである。 その場合、大きくなった、もしくは間違いなく大きくなると想定されるパッケージに対しては、 「アーキテクチャの設計」の手順を適用し、そのパッケージを分割する。

分割されたパッケージは、一旦、元のパッケージのサブパッケージとするが、 そのサブパッケージの中で、外部のパッケージから使用される機会の多いものや、 元のパッケージとの関係が少ないものは、元のパッケージから出し、単独のパッケージをするべきだろう。

こういったリファクタリングをその効果に見合った工数で行うためには、 「開発プロセスとインフラ」で述べたように自動単体テスト自動統合テストが必要となる。

自動単体テストや自動統合テストがない場合、 このような修正にはデグレードが多発するため多くの工数ロスは避けがたいが、 放置すれば状態は、より悪化する。

当初、想定していない依存関係が必要になる

初期のアーキテクチャの依存関係は、その設計に用いたシナリオが必要とするもののみとなっているため、 ソフトウェアの成長に伴い新たな依存間が必要になることは当然である。 このような場合、下記のようなことに気を付けて新たな依存関係を追加すべきだろう。

すでに述べたように、循環や相互依存の解消には、「SOLID」に記載したコードのパターンや 「デザインパターン」が有用である。

コードクローンが避けられない

コードクローンの原因はいくつも存在するが、その対処方法は常に、 一連のコードクローンを一つの関数やクラスにして、適切な場所に配置することである。

例えばある基底クラスから派生したクラス群のいくつかがほぼ処理の等しいメンバ関数を持つのであれば、 そのメンバ関数を統一して、基底クラスに移動すれば良い。

この方法と同様に、ほぼ処理の等しい関数やクラスが複数のパッケージに存在し、 それらが「Nstdライブラリの開発」で述べたような汎用的なものであれば、 プロジェクト全域からアクセスを許可するパッケージを用意し、そこに配置すればよい。

汎用的ではない場合、おそらくパッケージの分割が不十分であったために、 具現化されていないパッケージの処理が複数のパッケージに散乱してしまっていることがことが考えられる。 具現化されていないパッケージを具現化するために、 「アーキテクチャの設計」の手順を再実行すべきだろう。

当初、想定していない非同期処理が必要になる

リファクタリングの例」で述べたように、 同期処理を前提としたソフトウェアに非同期処理を追加すると、ソースコードは腐敗を始める。

以下のような事項が腐敗の原因となる。

これらに関しては、

ことで対処できる(「並行処理」参照)が、レベルの高いプログラマの工数をかなり消費するため、 避けるべきアーキテクチャ変更である。初期のアーキテクチャの設計時に、 非同期処理が不要であることに対して、絶対の自信がないのであれば、 非同期処理が必要であるという前提で設計すべきだろう。

アーキテクチャの再構築

多くのプログラマが、日々、スパゲティコードに向かい合い悪戦苦闘している。 そうなった理由は以下のようなことが原因となっている。

  1. ソフトウェア開発プロセス(「開発プロセスとインフラ」参照)の未成熟
  2. アーキテクチャの不備
  3. プログラマのスキル不足

このような状況を改善・改革するための活動をここでは「アーキテクチャの再構築」と呼ぶことにする。

このような環境の中でのプログラマは、以下のいずれかの行動を選択する。

ここでの議論は、最後の選択をするプログラマのためのものである。 以下では、このようなプログラマを改善プログラマと呼ぶ。

改善プログラマは、その行動様式から原因1、2、3の改善を行おうとするだろうが、 このプログラマがチームの運営方針や予算に影響を与えることができる立場でないのであれば、 原因1、2の対処は出来ないため、原因3の対処のみに注力する以外の改善策はない。

アーキテクチャ再構築の準備

上記のような議論から改善プログラマは以下のようなことをすることになる。

このような改善活動を行いながら、 ソフトウェアを大きく変えざるを得ないようなプロジェクトが企画されることを待つことになるが、 時が来た時に組織に影響を与えられる立場にいなければならない。 従って、改善プログラマにはそのような立場へのプロモーションも必要となる。

以上をまとめると、スパゲティコードの改善には以下のような条件が必要になる。

アーキテクチャ再構築のチーム編成

ソフトウェア開発プロセス、アーキテクチャ設計、プログラミングに対する知識は、 良書を読み、それを実践することで始めて身につく類のものであるため、 残念なことであるが、日々行うプログラミングを除いて、 アーキテクチャ再構築のための十分な知識をチームが身に着けることは難しい。 ソフトウェア開発プロセスやアーキテクチャ設計の知識は外部から調達せざるを得ないため、 スパゲティコードを立て直すプロジェクトが開始できる目途が付けば、 そのようなコンサルティング業者を探さなければならない。 こういったことを行える業者の数は多くはないが、見つけることは不可能ではない。 運よく見つかった場合でも、その業者が派遣するコンサルタントを何の疑いもなく受け入れてはならない。 コンサルタントのスキルレベルを問いただす必要がある。 間違いなく必要なのは、ソフトウェア開発プロセス導入やアーキテクチャ設計の実績である。 多くのエビデンスはないが、 ウォーターフォールモデル、V字モデルのみを提案するコンサルタントや、 アジャイル系プロセスを薦めながらテストの自動化を提案しないコンサルタントは、 十分な知識を持っていないと判断してよいと思う。

良いコンサルタントが見つからない場合、改善プログラマが中心になり、 ソフトウェア開発プロセスの導入やアーキテクチャの再設計を行うことになる。 良いコンサルタントが見つかった場合でも、 そのコンサルタントがこれから再構築するソフトウェアの要求仕様を熟知していることはないので、 アーキテクチャ設計を完全に委託することはできず、 結局、アーキテクチャ設計は自力で行わなければならない。 ということで、仮にコンサルタントが見つからなかったとしても、 レビューアーが足りない程度のインパクトである(と思う他ない)。

様々な障害があるだろうが、兎に角それらを乗り越えて、改善プロジェクトが開始できたとしよう。 コンサルタントが見つかった場合の初期のチーム構成は以下の様になる。

人員 ロール
改善プログラマ リーダ、アーキテクト
数人のフォロワープログラマ UMLダイヤグラムやプロトタイプコード等の開発者
コンサルタント 知見提供、UMLダイヤグラムやプロトタイプコード等のレビューアー

コンサルタントが見つからなかった場合、他のメンバにこのロールを振り分けることになる。 助っ人なしではやや不安だろうが、時には蛮勇も必要である。改善に向けて踏み出そう。

アーキテクチャ再構築の手順

アーキテクチャの再構築は、

  1. 現在のソースコードをベースに再構築するかどうかを判断する
  2. パッケージ間の依存関係を整理する
  3. 依存関係が整理されたパッケージ毎に単体テストを作る
  4. 統合テストプログラムを作る
  5. 単体テストや統合テストを自動実行できる環境を整える
  6. リファクタリングを行う

のような手順で行うことになる。

この一連の活動は、実際には上から順次実行できるわけではなく、反復する必要がある。 また、この活動後のチーム全体へのプロセスの導入にもスムーズに移行できるため、 アジャイル系プロセスを選択するべきである。

このプロセスの定義には、「開発プロセスとインフラ」や、 「プロセス・プラクティス」で紹介した書籍が参考になるだろう (改善プログラマならば、この時点でこれらのドキュメントには精通しているはずである)。

具体的なプロセスを選択した後は、上記の作業を細分化し、プロセスに合わせこむ必要があるが、 この作業は一回のミーティングで完了できる。後から多少の不備が見つかるだろうが、 その都度、見直せばよい。 多くのアジャイル系プロセスには、そのための振り返りミーティングが設けられている。

現在のソースコードをベースに再構築するかどうかを判断する

この活動の目的は、今のソースコードと同じ動作をする、きれいななソースコードを作ることであり、 リファクタリングがキーファクターとなる。 リファクタリングを行うためには、単体テストが不可欠であるため、 新アーキテクチャには、そのための構造が必要になる。

従って、現在のソースコードをベースに再構築するかどうかを判断するためには、 現在のパッケージの依存関係が循環していないか、 循環していた場合、現実的な工数とデグレードリスクで 「アーキテクチャとファイル構造」で示したクラス図のように修正できるかを調査する必要がある。

循環が修正できない場合、現在のソースコードをベースにすることはできない。 この場合、古いコードの修正はあきらめ、新しいコードをスクラッチから作ることになるため、 手順は「要求仕様を理解する」ことが不要な「アーキテクチャの設計」となる。

パッケージ間の依存関係を整理する

パッケージの依存関係が循環していなかった場合、このフェーズでやることはない。

循環を修正する場合、 「SOLIDで示したコードパターン」や「デザインパターン」が役に立つだろう。

修正が完了した時点で、手作業による簡単な統合テストを行い、クリティカルなデグレードを修正する。

依存関係が整理されたパッケージ毎に単体テストを作る

アーキテクチャとファイル構造」で述べたようにビルド環境を整える。

これで単体テストを記述するための環境はできたことになる。 これを使い、各パッケージのいくつかのクラスや関数の単体テストを書く。

この時点で、プロジェクトの起点となるソースコードが出来ているはずである。

メンバを増やし、彼らに単体テストのカバレッジを上げる仕事をさせることになる。 新規メンバには、このプロジェクトのプロセスに従ってもらい、 「TDD」で述べたようなワークフローで作業してもらうのが理にかなっている。 もし、コンサルタントが雇えていないのであれば、 このタイミングでアジャイル系プロセスの導入をサポートしてくれるコンサルタントを迎え入れても良い。

独力で行うにしても、助成を頼むにしても、 増員後のチームへのプロセスの導入には細心の注意が必要である。 細かく規定すぎると、「鳥網、精緻にして一鳥もかからず」の例えにある通り、 誰もそのルールには従わなくなる。 逆に、自然に任せれば、せっかく作り上げたアーキテクチャは破壊される。

統合テストプログラムを作る

上記の手順により、ある程度整理されたソースコードに対し、 自動統合テスト用プログラムを開発する。 GUI系のアプリケーションでは、 GUIオブジェクト(ボタンやテキストボックス等)を直接操作する統合テストの開発は困難であるが、 その場合は、「アーキテクチャとファイル構造」で示したmodel部分を評価する統合テストを開発する。

統合テストの開発のために、アーキテクチャ再構築中のソフトウェアに新機能の追加 (「自動統合テストのための仕様追加」参照)や、 さらなるアーキテクチャ変更が発生することがあるが、多くの場合ここで妥協すべきではない。

単体テストや統合テストを自動実行できる環境を整える

上記までで用意した単体テストと統合テストを バージョン管理システムと連動させて自動実行するための環境を整える。

典型的には「CI(継続的インテグレーション)」で述べたように、

を使うことになるだろう。 この環境により、例えばgit pushが行われるたびに単体テストと統合テストが自動実行される。 これに合わせて「コード解析」で述べたような解析ツールを導入すると、 この後行うリファクタリングが捗る。

リファクタリングを行う

上記までの開発でリファクタリングを行う環境は整ったことになるため、 リファクタリングを開始する。

初期のリファクタリングは、

になる。 依存関係の整理(循環依存や不要インクルード)は、コンパイル時間短縮にも効果があるため、 なるべく早い時期に取り掛かるのが良いだろう。

まとめ

アーキテクチャ(もしくはソースコード)とプロセスは共生関係にあり、 どちらか一方のみを改善することはできないため、アーキテクチャの再構築には、 これまで述べたように

等、多岐にわたる知識が必要なため難易度が高い。 また、これによりチーム活動にも多大なインパクトを与えるため苦渋に満ちたものになるだろう。 従って、このような活動はプロダクトライフタイムで最多でも一回に留めるべきであることは言うまでもない。

開発プロセスとインフラ

ソフトウェア開発を効率よく行うためには、以下の三要素をレベル高く保つことが重要である。

この章では後ろ2つの要素(プロセスとそれを支えるインフラ)について、 アジャイル、CIに軸足を置いて説明する。


この章の構成

   プロセス
    ウォーターフォールモデル、V字モデル
    アジャイル系プロセス
    ウォーターフォール vs アジャイル

   アジャイル系プロセスのプラクティスとインフラ
    自動単体テスト
    リファクタリング
    自動統合テスト
    TDD
    CI(継続的インテグレーション)

   まとめ

このドキュメントの構成に戻る。


プロセス

本ドキュメントでは、プロセスを下記の3つに分類する。

上から順に初期計画順守的であり、逆に下から順に状況適応的である。 状況適応的であることは、無計画であることを意味しない。 ただ単にプライオリティの問題として、 計画に従うことより状況に適応・対処することを選択するということである。

ほとんどのアジャイル系のプロセスは、繰り返し構造を持つため、 「アジャイル ⊆ 反復型」と分類されることもある(が、本ドキュメントではそうしない)。

ウォーターフォールモデル、V字モデル

ウォーターフォールモデルもしくはV字モデルと呼ばれるプロセスでは、 「要件分析」→「基本設計」→「機能設計」→「詳細設計」→「プログラミング」 といった工程でソフトウェアを作り、その後 「単体テスト(UT)」→「結合テスト(IT)」→「システムテスト」→「受入テスト(運用テスト)」 といった工程でテストを行う。

設計・開発の各フェーズ(上図の左側)は、同じ高さにあるテストの各フェーズ (上図の右側)にそれぞれ対応する。 ソフトウェアの機能はそれが定義された設計・開発フェーズに対応するテストフェーズで評価される。

設計・開発フェーズではトップダウンで作業を行うことで実装漏れや手戻りを防ぎ、 テストフェーズではその逆にボトムアップで作業を行うことにより、 細かいバグによる全体進捗の妨げを防ぐことを意図している。

長い歴史を持った手法であるため、安定したプロセスであるが、下記するような問題を持っている。

アジャイル系プロセス

アジャイル系プロセスとは、 敏捷(==agile)かつ適応的にソフトウェア開発を行う軽量な開発手法群の総称である。

以前、アジャイルが意味するものは誤用・乱用され、今もってその状態が解消されたとは言い難いため、 あえて下記の通り注意喚起する。

英単語の「agile(アジャイル)」には「繰り返し」という意味は含まれていないが、 実際には、その代表格であるスクラムやXPを含め、ほとんどのアジャイル系プロセスは、 下記のような繰り返し(イテレーション)構造を持つ。

こういったプロセスは、ウォーターフォールが持つ欠点への反省と克服のために作られた(と言って良い)ため、 多くのウォーターフォールの欠点を軽減、回避しているが、 一方でウォーターフォールが持っていない下記のような欠点を持っている。

ウォーターフォール vs アジャイル

ウォーターフォールとアジャイルの対比を下記する。

ウォーターフォール アジャイル
計画 無謬が前提なので硬直的に従う 誤りが前提なので修正しながら進める
進捗計測 ほぼ不可能 実測ベース
要求技能 OOD/C++ OOD/C++/TDD etc
自動化 通常は未実施 自動化前提
プロジェクト規模 規模とは関係小 大規模は難しい

アジャイル系プロセスは開発チーム全員による議論を要求するので、 1チーム10人程度以下でなければ運営が効率的ではない。 それ以上の人数が必要な場合、10人以下のチームを複数個作り、 「各チームのリーダーが参加するイテレーション毎の計画ミーティング」 でソフトウェア開発全体の計画作りと各チームへのタスクの割り振りを行うことになる。 先に述べた理由から、このミーティングの参加者も10人程度以下が望ましい。 以上のような考察から、 100人を超えるような大規模開発にはアジャイル系プロセスは不向きであるというのが常識的な結論である。 逆にそれほどの規模でないプロジェクトでウォーターフォールを選ぶ理由はないと思われる。

アジャイル系プロセスのプラクティスとインフラ

多くのアジャイル系プロセスは、下記のようなサブプロセスやプラクティスの実施を前提とする。

このプロセスでは前イテレーションまでに作られたテスト済のソースコードを何度も修正することになる。 これにより、

という理由から、自動単体テストとリファクタリングは特に重要なプラクティスである。

自動単体テスト

自動単体テストとは?

一般に、単体テスト(UT)とは、個々のクラスや関数といったソフトウェア構成要素の機能が正確に 動作することを検証するためのテストを指す。 原理的には、デバッガ等を利用して手作業で単体テストを実行することは可能であるが、

等の問題がある(V字モデルであれば可能かもしれないが)ため、現実的ではない。

自動単体テスト(以下単に単体テストやUTと呼ぶこともある)とは、この問題に対処するためのもので、 ワンコマンド(もしくはワンクリック)でクラスや関数の単体テストを行うプログラムである。

下記にstd::vectorの単体テストを例示する。

    //  example/etc/ut.cpp 7

    TEST(UT, std_vector)
    {
        auto v0 = std::vector{3, 2, 1};

        ASSERT_EQ(3, v0.size());
        ASSERT_EQ(3, v0[0]);
        ASSERT_EQ(2, v0[1]);
        ASSERT_EQ(1, v0[2]);
        ASSERT_THROW(v0.at(3), std::out_of_range);  // エクセプション発生

        // sortのテスト
        std::sort(v0.begin(), v0.end());
        ASSERT_EQ((std::vector{1, 2, 3}), v0);

        // transformのテスト
        auto v1 = std::vector<int>{};
        std::transform(v0.begin(), v0.end(), std::back_inserter(v1), [](auto x) { return x * 2; });
        ASSERT_EQ((std::vector{2, 4, 6}), v1);
    }

このようなプログラムを書くことを「単体テストを書く(を作る)」、 このようなプログラムを実行する(実行してバグを取り除く)ことを「単体テストを行う(をする)」という。 通常、単体テストソースコードのビルドや単体テストの実行は、 その対象ソースコードと同じビルドシステム(makeやVisual Studioのソリューション等)に組み込まれる。 単体テストを書き、それをビルドシステムから実行できるようにすることで、 ほとんど工数をかけることなく何度でも単体テストを繰り返し実行できる (つまり単体テストを持つクラスの回帰テストのコストをほぼ0にできる)。

単体テストのメリット

単体テストを行うメリットは、

一方で単体テストを行うデメリットは、

単体テストのメリット、デメリットを比べれば明らかな通り、単体テストを行わない合理的理由はない (そもそも一般的な意味での単体テストを行わないプロセスはおそらく存在しない)。

アーキテクチャと単体テスト

プログラムとその単体テストのパッケージの構造(「アーキテクチャ」参照)を説明するために、 以下のような特徴を持つAppliというプログラムを想定する。

この場合、下記図のように各パッケージ(ライブラリ)毎に単体テスト実行プログラムを作るのが一般的である (「ファイル名」で述べたように、*.cppに対しては*_ut.cppとする)。

パッケージ間に無駄な依存関係や相互依存、循環依存があると、 単体テスト用のモックやスタブを大量に作らざるを得なくなる場合が多く、 最悪の場合、単体テスト用のリンクができないこともある。

単体テストの開発を行うかどうかに関係なく、 効率の良いソフトウェア開発を行うためにはこのように整理されたパッケージ構造を持つことが好ましいが、 単体テストの開発を行う場合、このような構造は特に重要となる (「アーキテクチャとファイル構造」参照)。

単体テストのサポートツール

C++をサポートする単体テストフレームワークとしては、

等がある。

単体テスト用の実行形式バイナリはビルドを行うOS上で実行するため、 組み込みソフトウェア開発のようにクロスコンパイラを使用している場合、 単体テストのビルドにそのクロスコンパイラを使用することはできない。 そのような場合、単体テスト用にはg++やclang++を使用することが一般的である。 ネイティブなコンパイラを使用しているプロジェクトでは、 単体テストのビルドにもそのコンパイラを使用する。

多くのビルド環境では下記のようなテストカバレッジ(g++/clang++とlcov)を出力できる。 単体テストが十分かどうかは、それを見て判断できる。

リファクタリング

リファクタリングとは、ソフトウェア(や、その構成物であるクラスや関数等) の外部に対する振る舞いを変えることなしに、その内部構造を改善することである。 従って、リファクタリングには、

ことが必要である。

通常、リファクタリングは下図に示すようなワークフローとしてプロセスに組み込まれ、 日々の開発業務の一環として行われる。

リファクタリングのための回帰テスト

すでに述べたように、リファクタリング後には回帰テストが必要である。 通常、この回帰テストは、改善したソースコードをカバーする自動実行可能な単体テストや統合テスト等の、 エンジニアの工数をほとんどロスしない方法で行われる。 もし、多くの回帰テストが手作業で行われるならば、 プロジェクトがその工数負担に耐えられなくなり、以下のいずれかが発生する。

  1. リファクタリングがほとんど行われなくなる。
  2. ソースコード改善後、十分な回帰テストが行われなくなる。
  3. 一度に大量のソースコード改善を行うようになる(回帰テストの回数を減らす)。

ソースコードの構造を改善し、自動テストを組み込めるようにするために、 上記3の方法は効果的である場合もある (すなわち、方法3はそのソースコードのライフサイクルの中で一度だけ施行が許される)。 他の方法ではリファクタリングをプロセスに組み込むことはできない。

以上の考察から、リファクタリングのための回帰テストは、自動単体テストか自動統合テストのいずれか、 もしくは両方にならざるを得ない。 プロジェクトの進捗とともに自動統合テストは数時間~数日を要するようになるので、 実践的に考えると、自動統合テストはリファクタリングのための回帰テストには不向きである。 その結果、リファクタリング後の回帰テストには、 「修正したソースコードやその周辺をカバーする自動単体テスト」以外の選択肢はないと考えられる。

ソースコードの改善

良いプログラマが書いたソースコードは、無駄がなく機能的である。 それが機能美として目に映ることもあるため、 自分や自分のチームにはそのようなソースコードは書けないと思う人がいる。 他方で、良いソースコードとはどのようなものかも知らずに、 自信満々にリファクタリングをやりたいという人もいる。

どちらの考え方も間違っている。 「コードインスペクション」で述べた観点に沿ってソースコードを読み、 その違反を確実に修正できることが、ソースコード改善の第一歩である。

これは前者が思うほど難しくもなく、後者が思うほど簡単でもない。

リファクタリングの例

ソースコードに多くの問題があった場合でも、一度に多くの視点からの修正をしてはならない。 ステップバイステップで少しずつ改善させることを心掛けるべきである。

例えば大きすぎる関数を分割するリファクタリングを行う場合は、その分割のみに集中すべきで、 その最中に別の問題を見つけても、その修正を行ってはならない。 まずは、仕掛中のリファクタリングを終了させ、その後(コミットした後)、次の問題点に取り掛かるべきである。

以下では、そういったステップバイステップのリファクタリングを例示する。

オリジナルのソースコード

まずはリファクタリング前のオリジナルのソースコードを示す。

    //  example/ref_org/main.cpp 8

    int main(int, char**)
    {
        auto strings = std::vector<std::string>{};

        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                switch (buffer.at(0)) {
                case '+': {
                    auto result = std::string{do_heavy_algorithm(buffer.substr(1))};
                    strings.emplace_back(result);
                    for (auto i = 0U; i < strings.size(); i++) {
                        std::cout << strings[i] << std::endl;
                    }
                    break;
                }
                case '.':
                    // do nothing
                    break;
                case '=':
                    return 0;
                default:
                    return 1;  // error exit
                }
            }
        }

        return 0;
    }

上記プログラムは、

  1. 標準入力から文字列を受け取り、
  2. 文字列をパースし、コマンドと引数文字列に分離し、
  3. 引数文字列を、時間のかかるアルゴリズムで別の文字列に変換し、
  4. 変換文字列を保存し、
  5. 保存した全ての変換文字列をstd::coutに出力する。

ソースコードの品質は高くないので、 すくなくとも機能追加するタイミングではリファクタリングが必要になる。

機能追加によるソースコード品質劣化

時間のかかるアルゴリズムがプログラムをブロックしてしまうので、 下記のように、この処理を(不十分ながら)非同期化した。

    //  example/ref_async_org/main.cpp 15

    int main(int, char**)
    {
        auto         strings = std::vector<std::string>{};
        std::thread* thd     = nullptr;

        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                switch (buffer.at(0)) {
                case '+': {
                    if (thd != nullptr) {
                        thd->join();
                        delete thd;
                    }

                    thd = new std::thread{[&strings, input = buffer.substr(1)] {
                        auto result = std::string{do_heavy_algorithm(input)};
                        strings.emplace_back(result);

                        for (auto i = 0U; i < strings.size(); i++) {
                            std::cout << strings[i] << std::endl;
                        }
                    }};
                    break;
                }
                case '.':
                    ...
                }
            }
        }

        return 0;
    }

一般に、同期処理をそのまま非同期に変更するとソースコードは腐敗を始める。 上記ソースコードもその例に漏れず、かなり醜悪になった。

小規模なリファクタリング

Null ObjectパターンやRAIIの導入で肥大化したmain関数を改善する小規模なリファクタリングを行う。

    //  example/ref_async_r0/main.cpp 13

    int main(int, char**)
    {
        auto strings = std::vector<std::string>{};
        auto thd     = std::make_unique<std::thread>([] {});        // Null Object & RAII
        auto sg      = Nstd::ScopedGuard{[&thd] { thd->join(); }};  // RAII

        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                switch (buffer[0]) {
                case '+': {
                    thd->join();
                    thd = std::make_unique<std::thread>([&strings, input = buffer.substr(1)] {
                        auto result = std::string{do_heavy_algorithm(input)};
                        strings.emplace_back(result);
                        for (auto const& str : strings) {  // 範囲for文
                            std::cout << str << std::endl;
                        }
                    });
                    break;
                }
                case '.':
                    ...
                }
            }
        }

        return 0;
    }

上記例のScopedGuardは、汎用性が高くプロジェクト全体で使用できるため、別のファイルとして、 下記のように宣言、定義する(汎用性が高いクラスや関数をプロジェクト全体で共有することは良い習慣である)。

    //  deep/h/scoped_guard.h 7

    /// @brief RAIIのためのクラス。コンストラクタ引数の関数オブジェクトをデストラクタから呼び出す
    ///
    #if __cplusplus >= 202002L   // c++20

    template <std::invocable F>  // Fが呼び出し可能であることを制約
    #else  // c++17

    template <typename F>
    #endif
    class ScopedGuard {
    public:
        explicit ScopedGuard(F&& f) noexcept : f_{f}
        {
        }

        ~ScopedGuard() { f_(); }
        ScopedGuard(ScopedGuard const&)            = delete;  // copyは禁止
        ScopedGuard& operator=(ScopedGuard const&) = delete;  // copyは禁止

    private:
        F f_;
    };
構造のリファクタリング

前記レベルでは不十分であるため、ブロックを関数化するリファクタリングを行う。

    //  example/ref_async_r1/main.cpp 9

    namespace {
    int main_loop()
    {
        auto strings = std::vector<std::string>{};
        auto thd     = std::thread{[] {}};                         // NullObject & RAII
        auto sg      = Nstd::ScopedGuard{[&thd] { thd.join(); }};  // RAII

        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                if (auto exit_code = dispatch(thd, strings, buffer)) {
                    return *exit_code;
                }
            }
        }

        assert(false);
        return 0;
    }
    }  // namespace

    int main(int, char**) { return main_loop(); }

メインループ関数は、main()と同じファイルに残すが、他の関数は下記のように他のファイルで定義する。 これにより、部分的だが単体テストが導入できる。

    //  example/ref_async_r1/lib.cpp 6

    namespace {
    void convert_store_async(std::thread& thd, std::vector<std::string>& strings,
                             std::string const& input)
    {
        thd.join();

        thd = std::thread{[&strings, input = input] {
            auto result = std::string{do_heavy_algorithm(input)};
            strings.emplace_back(result);
            for (auto const& str : strings) {
                std::cout << str << std::endl;
            }
        }};
    }
    }  // namespace

    std::optional<int> dispatch(std::thread& thd, std::vector<std::string>& strings,
                                std::string const& command)
    {
        switch (command[0]) {
        case '+':
            convert_store_async(thd, strings, command.substr(1));
            return std::nullopt;
        case '.':
            // do nothing
            return std::nullopt;
        case '=':
            return 0;
        default:
            return 1;
        }
    }
単体テストの開発

前述したように、関数やファイルを分割したことにより、 不十分なレベルではあるが単体テストを開発、実行できるようになった。

    //  example/ref_async_r1/lib_ut.cpp 10

    TEST(RefAsyncR1, dispatch)
    {
        auto actual = std::vector<std::string>{};

        {
            auto thd = std::thread{[] {}};                   // NullObject & RAII
            auto sg  = ScopedGuard{[&thd] { thd.join(); }};  // RAII

            {
                auto exit_code = dispatch(thd, actual, "+abc");
                ASSERT_FALSE(exit_code);
            }
            {
                auto exit_code = dispatch(thd, actual, "+defg");
                ASSERT_FALSE(exit_code);
            }
            {
                auto exit_code = dispatch(thd, actual, ".");
                ASSERT_FALSE(exit_code);
            }
            {
                auto exit_code = dispatch(thd, actual, "+hijkl");
                ASSERT_FALSE(exit_code);
            }
            {
                auto exit_code = dispatch(thd, actual, "=");
                ASSERT_TRUE(exit_code);
                ASSERT_EQ(0, *exit_code);
            }
            {
                auto exit_code = dispatch(thd, actual, "?");
                ASSERT_TRUE(exit_code);
                ASSERT_NE(0, *exit_code);
            }
        }

        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"ABC", "DEFG", "HIJKL"}), actual);
    }

scoped_guard.hに関しても、以下のように単体テストを追加する。 バグが発生しそうにないこのようなクラスに対しても単体テストを行うことは一見無駄なように見えるが、 単体テストカバレッジの管理、コードクローンの撲滅、 「割れ窓理論」 等の観点から重要である。

    //  example/programming_convention/scoped_guard_ut.cpp 8

    TEST(ScopedGuard, scoped_guard)
    {
        auto a = 0;

        {
            auto sg = ScopedGuard{[&a]() noexcept { a = 99; }};
            ASSERT_NE(99, a);  // ~ScopedGuardは呼ばれていない
        }
        ASSERT_EQ(99, a);  // ~ScopedGuardは呼ばれた
    }
クラスの導入

このプログラムは非同期処理が必要であるため、 そういったアプリケーションとの相性が良いMVCの導入によるリファクタリングを行う (この程度の規模のソフトウェアにMVCを導入する必要はないが、 その導入を例示するためリファクタリングを行う)。

まずは、コマンドの非同期処理を行うクラス(== ビジネスロジック == Model)を導入する (例としての分かりやすさを優先するためにクラス名もModelとする)。

    //  example/ref_async_r2/main.cpp 6

    namespace {
    int main_loop()
    {
        auto model = Model{};

        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                if (auto exit_code = dispatch(model, buffer)) {
                    return *exit_code;
                }
            }
        }

        assert(false);
        return 0;
    }
    }  // namespace

    int main(int, char**) { return main_loop(); }

以下のファイルで、Modelの宣言、定義を行う。

    //  example/ref_async_r2/lib.h 8

    class Model {
    public:
        Model() : thd_{[] {}}, strings_{} {}
        ~Model() { thd_.join(); }
        void ConvertStoreAsync(std::string const& input);

    private:
        std::thread              thd_;
        std::vector<std::string> strings_;
    };
    //  example/ref_async_r2/lib.cpp 6

    void Model::ConvertStoreAsync(std::string const& input)
    {
        thd_.join();

        thd_ = std::thread{[&sv = strings_, input = input] {
            sv.emplace_back(do_heavy_algorithm(input));

            for (auto const& str : sv) {
                std::cout << str << std::endl;
            }
        }};
    }

    std::optional<int> dispatch(Model& model, std::string const& command)
    {
        ...
    }
単体テストの変更

このリファクタリングにより単体テストは以下のようになる (以下のModelのデザインは不十分であるため、妥当な単体テストはできない)。

    //  example/ref_async_r2/lib_ut.cpp 7

    TEST(RefAsyncR2, Model)
    {
        auto model = Model{};  // Modelのデザインが悪いために適切な単体テストは書けない

        model.ConvertStoreAsync("hehe");
    }

    TEST(RefAsyncR2, dispatch)
    {
        auto model = Model{};

        {
            auto exit_code = dispatch(model, "+abc");
            ASSERT_FALSE(exit_code);
        }
        {
            auto exit_code = dispatch(model, "+defg");
            ASSERT_FALSE(exit_code);
        }
        {
            auto exit_code = dispatch(model, ".");
            ASSERT_FALSE(exit_code);
        }
        {
            auto exit_code = dispatch(model, "+hijkl");
            ASSERT_FALSE(exit_code);
        }
        {
            auto exit_code = dispatch(model, "=");
            ASSERT_TRUE(exit_code);
            ASSERT_EQ(0, *exit_code);
        }
        {
            auto exit_code = dispatch(model, "?");
            ASSERT_TRUE(exit_code);
            ASSERT_NE(0, *exit_code);
        }
    }
MVCの導入

非同期関数であるModel::ConvertStoreAsync()の完了がクラス外から捕捉できないことを一因として、 上記例のModelへの十分な単体テストができなかった。 この問題を解決し、単体テストのカバレッジを上げるために「MVC」の構造を導入する。

    //  example/ref_async_r3/main.cpp 5

    int main(int, char**)
    {
        auto view  = View{};
        auto model = Model{};
        model.Attach(view);
        auto controller = Controller{model};

        return controller.WatchInput();
    }

以下のファイルで、Modelの宣言、定義を行う。

    //  example/ref_async_r3/model.h 10

    class Observer {
    public:
        Observer() = default;
        void Update(Model const& model) { update(model); }
        virtual ~Observer() = default;

    private:
        virtual void update(Model const& model) = 0;
    };

    class Model {
    public:
        Model() : thd_{[] {}}, strings_{}, observers_{} {}
        ~Model() { thd_.join(); }
        void                            ConvertStoreAsync(std::string const& input);
        void                            Attach(Observer& observer);
        void                            Detach(Observer& observer);
        std::vector<std::string> const& GetStrings() const { return strings_; }

    private:
        void notify() const;

        std::thread              thd_;
        std::vector<std::string> strings_;
        std::list<Observer*>     observers_;
    };
    //  example/ref_async_r3/model.cpp 4

    void Model::ConvertStoreAsync(std::string const& input)
    {
        thd_.join();

        thd_ = std::thread{[this, input = input] {
            strings_.emplace_back(do_heavy_algorithm(input));
            notify();
        }};
    }

    void Model::Attach(Observer& observer) { observers_.emplace_back(&observer); }
    void Model::Detach(Observer& detach)
    {
        observers_.remove_if([&detach](Observer* observer) { return &detach == observer; });
    }

    void Model::notify() const
    {
        for (auto* observer : observers_) {
            observer->Update(*this);
        }
    }

以下のファイルで、Viewの宣言、定義を行う。

    //  example/ref_async_r3/view.h 7

    class View : public Observer {
    private:
        virtual void update(Model const& model) override;
    };
    //  example/ref_async_r3/view.cpp 3

    void View::update(Model const& model)
    {
        for (auto const& str : model.GetStrings()) {
            std::cout << str << std::endl;
        }
    }

以下のファイルで、Controllerの宣言、定義を行う。

    //  example/ref_async_r3/controller.h 7

    class Controller {
    public:
        explicit Controller(Model& model) : model_{model} {}

        int WatchInput();

    private:
        std::optional<int> dispatch(std::string const& command);

        Model& model_;
    };
    //  example/ref_async_r3/controller.cpp 6

    int Controller::WatchInput()
    {
        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                if (auto exit_code = dispatch(buffer)) {
                    return *exit_code;
                }
            }
        }

        assert(false);
        return 0;
    }

    std::optional<int> Controller::dispatch(std::string const& command)
    {
        ...
    }
単体テストの変更(単体テスト用クラス導入)

Observerから派生した下記のテスト用クラスViewTestを使うことにより、 ConvertStoreAsync()の完了が捕捉できるようになった。

    //  example/h/ref_async_mock.h 10

    class ViewTest : public Observer {
    public:
        void WaitUpdate(uint32_t num) noexcept  // num回、updateが呼び出されるまでブロック
        {
            while (update_counter_ != num) {  // ポーリングは避けるべきだが、単体テストなら問題ない
                org_msec_sleep(100);
            }
        }

        uint32_t GetCount() const noexcept { return update_counter_; }

    private:
        virtual void update(Model const&) noexcept override { ++update_counter_; }

        std::atomic<uint32_t> update_counter_{0};
    };

これにより、Modelの単体テストは十分なレベルになったが、 下記の通り、ControllerやViewがstd::coutやstd::cinに依存しているために、 これらの単体テストの開発は困難である。

    //  example/ref_async_r3/model_ut.cpp 10

    TEST(RefAsyncR3, Model)
    {
        auto view_test = ViewTest{};

        auto model = Model{};
        model.Attach(view_test);

        auto const input_model = std::vector<std::string>{"abc", "defg", "hijkl"};

        for (auto const& s : input_model) {
            model.ConvertStoreAsync(s);
        }

        view_test.WaitUpdate(input_model.size());

        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"ABC", "DEFG", "HIJKL"}), model.GetStrings());
    }
    //  example/ref_async_r3/view_ut.cpp 6

    TEST(RefAsyncR3, View)
    {
        auto view = View{};  // オブジェクト生成程度の単体テストしかできない
    }
    //  example/ref_async_r3/controller_ut.cpp 8

    TEST(RefAsyncR3, Controller)
    {
        auto model = Model{};
        auto controller = Controller{model};  // オブジェクト生成程度の単体テストしかできない
    }
DIの導入

DI(dependency injection)を導入することで、 Controller、Viewのstd::coutやstd::cinへの直接の依存を回避する。

下図は、DI導入前後でControllerによる「std::cinからの文字列読み込み」がどのように変更されたかを示す。

DIの導入によりmain()は以下のようになる。

    //  example/ref_async_r4/main.cpp 5

    int main(int, char**)
    {                                                   //   修正前のソースコード
        auto view  = View{std::cout};                   // > auto view  = View{};
        auto model = Model{};                           //   auto model = Model{};
        model.Attach(view);                             //   model.Attach(view);
        auto controller = Controller{model, std::cin};  // > auto controller = Controller{model};

        return controller.WatchInput();
    }

Modelについては、std::cout、std::cinへの依存はないので変更しない。 Viewについては、以下のようにstd::coutへの依存を削除する。

    //  example/ref_async_r4/view.h 7

    class View : public Observer {
    public:
        explicit View(std::ostream& os) : Observer{}, os_{os} {}

    private:
        virtual void update(Model const& model) override;

        std::ostream& os_;
    };
    //  example/ref_async_r4/view.cpp 3

    void View::update(Model const& model)
    {                                                 //   修正前のソースコード
        for (auto const& str : model.GetStrings()) {  //   for (auto const& str : model.GetStrings()) {
            os_ << str << std::endl;                  // >     std::cout << str << std::endl;
        }                                             //   }
    }

Controllerについても、以下のようにstd::cinへの依存を削除する。

    //  example/ref_async_r4/controller.h 7

    class Controller {
    public:
        explicit Controller(Model& model, std::istream& is) : model_{model}, is_{is} {}

        int WatchInput();

    private:
        std::optional<int> dispatch(std::string const& command);

        Model&        model_;
        std::istream& is_;
    };
    //  example/ref_async_r4/controller.cpp 6

    int Controller::WatchInput()
    {
        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            //                                //  修正前のソースコード
            if (std::getline(is_, buffer)) {  //  if (std::getline(std::cin, buffer)) {
                if (auto exit_code = dispatch(buffer)) {
                    return *exit_code;
                }
            }
        }

        assert(false);
        return 0;
    }

    std::optional<int> Controller::dispatch(std::string const& command)
    {
        ...
    }

以上のように、

と改善された(一般にグローバルオブジェクトへの依存よりも型への依存の方が柔軟性に勝る)。 なお、std::cin、std::cout、std::istream、std::ostream等の継承関係は以下の通りであるため、 このような変更が可能となった。

全クラスの単体テスト

これまでの改善によりModel、View、Controllerすべてに妥当な単体テストをすることが可能となった。

    //  example/ref_async_r4/model_ut.cpp 11

    TEST(RefAsyncR4, Model)
    {
        auto view_test   = ViewTest{};
        auto ss_view     = std::ostringstream{};
        auto view_normal = View{ss_view};
        auto model       = Model{};

        model.Attach(view_normal);
        model.Attach(view_test);

        auto const input_model = std::vector<std::string>{"abc", "defg", "hijkl"};

        for (auto const& s : input_model) {
            model.ConvertStoreAsync(s);
        }

        view_test.WaitUpdate(input_model.size());

        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"ABC", "DEFG", "HIJKL"}), model.GetStrings());

        auto ss_expect = std::ostringstream{};  // viewのテスト
        ss_expect << "ABC" << std::endl;
        ss_expect << "ABC" << std::endl << "DEFG" << std::endl;
        ss_expect << "ABC" << std::endl << "DEFG" << std::endl << "HIJKL" << std::endl;

        ASSERT_EQ(ss_expect.str(), ss_view.str());
    }
    //  example/ref_async_r4/view_ut.cpp 4

    TEST(RefAsyncR4, View)
    {
        // model/controllerの単体テストで代用
    }
    //  example/ref_async_r4/controller_ut.cpp 11

    TEST(RefAsyncR4, Controller)
    {
        auto view_test   = ViewTest{};
        auto ss_view     = std::ostringstream{};
        auto view_normal = View{ss_view};
        auto model       = Model{};

        model.Attach(view_test);
        model.Attach(view_normal);

        auto ss = std::stringstream{};

        ss << "+abc" << std::endl;
        ss << "+defg" << std::endl;
        ss << "." << std::endl;
        ss << "+hijkl" << std::endl;
        ss << "=" << std::endl;

        auto controller = Controller{model, ss};

        ASSERT_EQ(0, controller.WatchInput());

        auto const exp_model = std::vector<std::string>{"ABC", "DEFG", "HIJKL"};
        view_test.WaitUpdate(exp_model.size());

        ASSERT_EQ(exp_model, model.GetStrings());

        auto ss_expect = std::ostringstream{};
        ss_expect << "ABC" << std::endl;
        ss_expect << "ABC" << std::endl << "DEFG" << std::endl;
        ss_expect << "ABC" << std::endl << "DEFG" << std::endl << "HIJKL" << std::endl;

        ASSERT_EQ(ss_expect.str(), ss_view.str());

        // エラー入力テスト
        ss << "?" << std::endl;
        ASSERT_NE(0, controller.WatchInput());
    }

自動統合テスト

自動統合テストとは?

一般に、統合テスト(IT)とは、クラスや関数、 ライブラリ等のソフトウェア構成要素すべてを結合したプログラムの動作が、 要求仕様に沿っていることを検証するためのテストである。 統合テストはテストエンジニアやプログラマの手作業で行われることが慣例になっているが、 プログラムに少しの工夫を加えることで、その多くを自動化することができる (プログラムにもよるが100%自動化は困難である)。 この自動化された統合テストを本ドキュメントでは自動統合テストと呼ぶ。

以下のようなテストを手作業で行うことはほぼ不可能であるが、 これらの項目を統合テストから外すこともできないため、 すべてのソフトウェア開発において自動統合テストは必須である。

自動統合テストのための仕様追加

リファクタリングの説明に使用したソースコード(「リファクタリング」参照)は、

ように改善された。 単体テストのラインカバレッジは100%に近く、動作品質という観点からも改善したが、 未だに統合テストは手作業で行わなければならない(現在の仕様では統合テストを自動化することは難しい)。

このプログラムの統合テストの自動化を難しくさせている原因は、 「標準入出力を利用し、ユーザとインタラクティブなやり取りを行う」 からである。この問題を解決するために、 「コマンド引数によりダイナミックに、標準入出力をファイル入出力へ切り替えられる」ように変更を行う (このようなテスト機能の実現のために、#if/#endif等のプリプロセッサ命令を利用することは誤りである)。

コマンド引数の仕様(このプログラム名はref_async_r5)は下記のとおりである。

    ref_async_r5 [OPTIONS]
       -i <input-file>      std::cinの代わりに、<input-file>を使用する。
       -o <output-file>     std::coutの代わりに、<output-file>を使用する。

自動統合テストのためのソースコード変更

前述したオプションを備えた実装は、以下のようになる。

    //  example/ref_async_r5/main.cpp 10

    namespace {

    void how_to_use(std::string_view program)
    {
        std::cerr << program << " [OPTIONS]" << std::endl;
        std::cerr << "   -i <input-file>" << std::endl;
        std::cerr << "   -o <output-file>" << std::endl;
    }
    }  // namespace

    int main(int argc, char** argv)
    {
        auto ret = getopt(argc, argv);
        if (!ret) {
            how_to_use(argv[0]);
            return __LINE__;
        }

        auto ios = IOStreamSelector{std::move(ret->ifile), std::move(ret->ofile)};

        if (!ios.Open()) {
            how_to_use(argv[0]);
            return __LINE__;
        }
        //                                                      //   修正前のソースコード
        auto view  = View{ios.GetOStream()};                    // > auto view  = View{std::cout};
        auto model = Model{};                                   //   auto model = {};
        model.Attach(view);                                     //   model.Attach(view);
        auto controller = Controller{model, ios.GetIStream()};  // > auto controller
                                                                //       = Controller{model, std::cin};

        return controller.WatchInput();
    }
    //  example/ref_async_r5/arg.h 5

    struct opt_result {
        std::string ifile;
        std::string ofile;
    };

    std::optional<opt_result> getopt(int argc, char* const* argv);
    //  example/ref_async_r5/arg.cpp 7

    std::optional<opt_result> getopt(int argc, char* const* argv)
    {
        auto opt   = int{};
        auto ifile = std::string{};
        auto ofile = std::string{};

        ...
        return opt_result{std::move(ifile), std::move(ofile)};
    }

IOStreamSelectorと単体テスト用に導入した「DI(dependency injection)」構造により、 std::istream、std::ostreamのインスタンスを選択できるようになった。

IOStreamSelectorは以下のようになる。

    //  example/ref_async_r5/arg.h 14

    class IOStreamSelector {
    public:
        IOStreamSelector(std::string ifile, std::string ofile)
            : ifile_{std::move(ifile)},
              ifs_{},
              is_{nullptr},
              ofile_{std::move(ofile)},
              ofs_{},
              os_{nullptr}
        {
        }

        bool          Open();
        std::istream& GetIStream();
        std::ostream& GetOStream();

    private:
        ...
    };
    //  example/ref_async_r5/arg.cpp 36

    namespace {
    template <typename FSTREAM, typename IOSTREAM>
    bool select_iostream(std::string const& filename, FSTREAM& fs, IOSTREAM& cin_cout,
                         IOSTREAM*& output)
    {
        output = &cin_cout;

        if (filename.size() != 0) {
            fs.open(filename);
            if (!fs) {
                return false;
            }
            output = &fs;
        }

        return true;
    }
    }  // namespace

    bool IOStreamSelector::Open()
    {
        if (!select_iostream(ifile_, ifs_, std::cin, is_)) {
            return false;
        }

        return select_iostream(ofile_, ofs_, std::cout, os_);
    }

    std::istream& IOStreamSelector::GetIStream()
    {
        assert(is_ != nullptr);

        return *is_;
    }

    std::ostream& IOStreamSelector::GetOStream()
    {
        assert(os_ != nullptr);

        return *os_;
    }

自動統合テスト用ソースコード変更のための単体テスト

追加機能に対する単体テストを以下に示す。 なお、新規単体テストはファイルの生成、書き込み、読み込みを行うため、

を行う必要がある。

である。

    //  example/ref_async_r5/arg_ut.cpp 18

    class Refactorin_5 : public ::testing::Test {  // google testクラス
    protected:
        virtual void SetUp() noexcept override
        {
            remove_file(ofilename);  // ファイルがあると、テストがエラーするので。
            remove_file(ifilename);
        }

        virtual void TearDown() noexcept override
        {
            remove_file(ofilename);  // ローカルリポジトリにゴミを残さない。
            remove_file(ifilename);
        }

        static void remove_file(std::string const& filename) noexcept
        {
            if (std::filesystem::exists(filename)) {
                std::filesystem::remove(filename);
            }
        }
    };

    TEST_F(Refactorin_5, IOStreamSelector)
    {
        {
            auto ios = IOStreamSelector{"", ofilename};

            ASSERT_TRUE(ios.Open());
            ASSERT_TRUE(&std::cin == &ios.GetIStream());
        }
        ASSERT_TRUE(std::filesystem::exists(ofilename));

        {
            {  // テスト用ファイルの作成
                auto ofs = std::ofstream{};

                ofs.open(ifilename);
                ASSERT_TRUE(ofs);

                ofs << "test";
            }
            ASSERT_TRUE(std::filesystem::exists(ifilename));

            auto ios = IOStreamSelector{ifilename, ""};

            ASSERT_TRUE(ios.Open());
            ASSERT_TRUE(&std::cout == &ios.GetOStream());

            auto file_contents = std::string{};

            ios.GetIStream() >> file_contents;
            ASSERT_EQ("test", file_contents);
        }
    }

    TEST_F(Refactorin_5, getopt)
    {
        {
            char        p[]    = "p";
            char* const argv[] = {p};

            auto ret = getopt(array_length(argv), argv);

            ASSERT_TRUE(ret);
            ASSERT_EQ("", ret.value().ifile);
            ASSERT_EQ("", ret.value().ofile);
        }
        ...
    }

自動統合テストの実装

ref_async_r5に追加された機能をスクリプト言語(下記例ではbash)等から利用することで、 下記のような自動統合テスト(非手作業統合テスト)を開発することができる。 入力文字列や入力タイミングのバリエーションを増やすこと等によってこの方法を発展させれば、 堅固な自動統合テストにすることも可能である。

    //  example/ref_it/it.sh 45

    # $IFILEの作成
    cat << IFILE_END > $IFILE
    +abcdef
    +ddd
    +ffff
    =
    IFILE_END

    # expectの生成
    gen_expect "ABCDEF" "DDD" "FFFF" > $OFILE_EXP

    $TARGET -i $IFILE -o $OFILE_ACT

    declare -r diff_result1=$(diff $OFILE_EXP $OFILE_ACT)

    # $TARGETが正常動作すれば、文字列diff_result1の長さは0
    [[ -n "$diff_result1" ]] && exit $LINENO

TDD

この章の考察に従って、単体テストをプロセスに組み込むのであれば、 ほとんどのクラス、関数は統合テスト前までに単体テストを実施されデバッグされることになる。 もしそうであるならば、この作業の流れ(クラスや関数の開発→単体テスト) はTest driven development(TDD)を使うことでさらに効率的になる。

TDDとは、下図に示すようなプログラマのワークフローである。

これは極めて強力なプラクティスであり、TDDを習慣化することで生産性の大幅な向上が見込める。

CI(継続的インテグレーション)

CI(continuous integration == 継続的インテグレーション)は、バージョン管理システムやそのウェブサービス、 ブランチ運用等と密接な関係を持つため、まずはこれらの説明を行う。

バージョン管理システム

バージョン管理システムは、ソフトウェア開発にとって最も重要なインフラの一つである。 従って、多彩なバージョン管理システムから何を選ぶかは、 プロジェクトの成否に大きく影響する重大な意思決定である。

機能、性能、今後の発展、情報入手の容易さ等を総合的に考えると、

がベストな選択であると思われる。 社内ルール等によりでGitHubが使えない場合、 GitHubと同等なgitウェブサービスをイントラネット内に構築することを推奨する。

gitのブランチモデル

gitは極めて自由度の高いバージョン管理システムであるため、 ブランチ運用については細心の注意が必要である。 特別な理由がない限り git-flow (A successful Git branching model) 等の世界的に評価の高い運用モデルを使用すべきである。

単純化したgit-flowを下記する。

このモデルにおける特に大切なポイントは、プロジェクト全体でシェアされる開発用ブランチdevelopと、 個別の機能開発用ブランチ(features/xxx, yyy等)を分けたことである。これにより、

等のメリットを享受できる。

コードインスペクション

GitHubのようなシステムを前提とするプロセスでは、 コードインスペクションはpull-requestをトリガーとして行われる。 pull-requestとは、featureブランチをdevelopブランチへマージする直前に行われる、 ブランチ開発者からインスペクタへの依頼である。 インスペクタはこの依頼を受けると、対象コミットのコードインスペクションを行い、

pull-requestが承認されれば、ブランチ開発者はfeatrueブランチをdevelopブランチにマージする。

ブランチ開発者は、pull-request前にその対象のコミットが、 以下のコミットクライテリアを満たしていることを保証しなければならない。

コードインスペクションは、以下のような観点で行われる。

CIとは?

内容を具体化、単純化するためこれまで述べてきたように、今後の説明も下記項目を前提とする (この前提でなければCIができないという意味ではない。当然ながらsubversion等でもCIの運用は可能である)。

CI とは、「すべてのプログラマは、 1日1回以上の頻度で、featrueブランチをdevelopブランチへマージしなければならない」 というプラクティスである。 developブランチが更新され次第、ビルド、単体テスト、 統合テスト等を自動で行うシステムとの併用が前提となるため、 本ドキュメントのCIとは、本来の意味に加えてこの自動システムの運用も含めた概念であると定義する (一般にも、そのように定義していると思われる)。 また、そのシステムをCIサーバ、CIサーバが実行するジョブ項目を単にCI項目と呼ぶ。 CIサーバにはクラウドサービスを含めて様々なものがあるが、代表的なものはJenkinsである。

CIの技術的優位性は、「枝分かれしてから長時間が経過したブランチは統合(マージ)が困難である」 という前提から発生している。この前提は明らかに正しいが、 こうしないプロジェクトにはこうしない理由がある。 マージするとdevelopブランチの動作品質が下がり、チーム全体の作業が滞るからである。 この問題の対抗策がビルド、単体テスト、統合テスト等の自動実行であるため、 これらの自動化ができていないチームが、 featureブランチからdevelopブランチへのマージを頻繁に行うと悲惨な結果になる。 一方で、developブランチへのマージを頻繁に行わないチームは、いずれ困難なマージを行わざるを得なくなる。 この作業は多くのデグレードを引き起こすため、これも悲惨な結果となる。

以上をまとめると、

ということになる。従って、

というのが結論である。

CIとワークフロー

アジャイル系プロセスに下記プラクティス

を組み込んだ場合、プログラマの典型的なワークフローは下図のようになる。

多くのアジャイル系プロセスは、このように洗練されたワークフローを前提としている。 逆にこのようなワークフローを行えないチームのアジャイル系プロセスは機能しない。 アジャイル導入の失敗例のほとんどは、こう言った問題が原因となっている。

このようなプラクティス、特に自動単体テストや自動統合テストを実践できていないチームが、 いきなりこのワークフローを身に着けることは極めて困難である。 イテレーション毎に決定される開発項目、改善項目の中にワークフローの向上に必要な項目を入れ、 ステップバイステップで改善し続けることが重要である。

CI項目実行の長時間化と分割

CI項目には前述した

に加えて、

等がある。

developブランチの更新をトリガーとして行われるCI項目は、 長くても30分程度で完了できるようにするのが理想的である。 一方で、機能開発の進捗とともに、この時間制限を超えてしまう項目が出てくる (フルビルドですら30分を超えることはめずらしくない)。

こういった場合に行われるのが、CI項目の分割である。 以下のテーブルのように、実行タイミング毎にCI項目を分けることで効率の良い運用ができる。

実行タイミング develop更新後 深夜 週末
実行時間 30分程度 深夜~翌朝 金曜日深夜~月曜日朝
ビルド 差分 フル 同左
単体テスト 差分 あり 同左
統合テスト なし/20分以内程度 あり あり(長期動作系)
静的解析 なし/20分以内程度 あり 同左
pgk作成 なし       あり 同左

CI項目の例

CIの環境として、

を使用すると前提とする。この場合、

    > make -j
    > make clean
    > make -j
    > make ut           # sanitizerをオンにしてビルドするとより効果的
    > make it           # sanitizerをオンにしてビルドするとより効果的
    > make clang        # gccの他にclangでコンパイルすることで、clangの警告機能を使う
    > scan-build make   # clangベースの静的解析ツール

をJenkinsジョブ記述用テキストボックスに記述すればよい(「コード解析」参照)。 つまり、CIで重要なことはテスト等の項目をコマンド化することである (従って、ビルドや単体テストをコマンドによって駆動できないIDEを使用してはならない)。

まとめ

産業は、労働集約型と知識集約型に二分できる。 一般に労働集約型産業の就労者の生産性には大差がなく、 知識集約型産業の就労者の生産性には大きな差がある。 ソフトウェア産業は知識集約型であるにもかかわらず、 プログラマの月単価のような労働集約的な基準で生産性が語られることが慣行となっているが、 これはプログラマの生産性に大差がないという考えから発した誤りである。

ただし、以下のように前提することで、この誤りにも、ある程度の正当性が与えられる。

この章で解説した「ほとんどのテストはプログラミングにより自動化できる」ことを理解すれば、 この前提が成り立たないことは明らかだろう。

このことに気づいている組織は知識集約型のアプローチで、 気づかない組織は労働集約型のアプローチでソフトウェア開発を行うことになる。 どちらの生産性が高いかを議論する余地はない。

こういったことをマネージャ、リーダはよく理解するべきだろう。

演習-プロセス分類
演習-V字モデル
演習-アジャイル
演習-自動化
演習-単体テスト
演習-リファクタリングに付随する活動
演習-リファクタリング対象コード
演習-CI

並行処理

03以前のC++は、並行処理に関して十分な機能を備えていなかったため、 多くのソフトウェア開発ではOSネイティブなAPIを使用せざるを得なかった。 11以降のC++は、下記するような言語拡張、 STLの大幅な機能追加等により、この問題の軽減に成功している。

本章では、「自動統合テスト」で開発したref_async_r5を改善することによって、 これらを用いたC++11での並行プログラミングを例示する。

なお、本来であればこの章は「デザインパターン」に含めるべきだろうが、 サンプルコードの説明の都合上ここに掲載することとした。


この章の構成

   ref_async_r5改善プログラムの要件
    Controller
    View
    Model

   非同期処理とその管理
    TwoPhaseTaskIF(TwoPhaseTaskPtr)
    Dispatcher
    TwoPhaseTaskPtrキュー管理機構

   ref_async_r6の構造
   まとめ

このドキュメントの構成に戻る。


ref_async_r5改善プログラムの要件

自動統合テスト」で開発したref_async_r5は、 少なくとも以下のような並行処理にまつわる問題を持っている。

  1. メインスレッドのメインループがstd::getline()でブロックしてしまうため、 ネットワーク等の複数種類の同時入力には対応できない。
  2. ref_async_r5のModel(ref_async_r5のModelはref_async_r3のModelと同じ) は2つ以上のスレッドを同時実行できない。

問題1に関しては、複数種類の同時入力に対応できる構造への改善のみを行う (本章の目的から逸脱するため、複数種類の入力への実際の対応は行わない)。 問題2に関しては、Modelが開始できるスレッドの上限を持たないような改善を行う。 この変更により、ref_async_r5では起こらなかったViewからの出力が競合する問題が発生するため、 その対処も行う。

以上を踏まえ、ref_async_r5改善プログラムは以下のようなものになる。

以上の条件を満たすref_async_r6の概念的なシーケンス図を下記する。

Controller

上記したようにref_async_r6は、メインスレッドでstd::getline()を実行することができないため、 Controllerがその内部スレッドからstd::getline()を呼び出すことで、 コマンド入力に対応することにする。

std::geline()により受信したコマンドのエラーコードは、ref_async_r6のexitコードになるため、 そのエラーコードをController外部から取り出せる必要がある。 その取り出しが簡単に実現できるため、 スレッド生成にはstd::thread()ではなく、std::async()を使用する。

なお、std::async()の戻り値であるstd::future<>のデストラクタは、 管理対象スレッドの終了を待つため、そのスレッドが終了しない場合ハングアップを引き起こす。 これに対処するためには、プログラムが終了手続きに入る前に (典型的にはexit()を呼び出すか、main()がreturnする前に)スレッドを終了させる必要がある。 このことは、旧来のstd::threadを使用する場合、 スレッドが終了しないことによってthread::join()が永久にリターンしないことと同様である。

以上のような条件から、Controllerは以下のようになる。

    //  example/ref_async_r6/controller.h 8

    class Controller {
    public:
        explicit Controller(Model& model, std::istream& is) : model_{model}, is_{is}, future_{} {}

        /// @brief 入力を受け取るスレッドを起動する
        void WatchInput();

        /// @brief 上記スレッドが終わるまで待ち合わせて、スレッドのリターンコードを返す。
        int GetExitCode();

    private:
        std::optional<int> dispatch(std::string const& command);
        int                watch_input();  // WatchInputが開始するスレッドの中身

        Model&           model_;
        std::istream&    is_;
        std::future<int> future_;
    };
    //  example/ref_async_r6/controller.cpp 7

    void Controller::WatchInput()
    {
        future_ = std::async(std::launch::async, [this] { return watch_input(); });
    }

    /// @brief Controllerのメインループ。std::istreamからコマンド文字列を受け取る。
    /// @return ループ終了の原因がエラーであるならば非0。そうでなければ0。
    ///         この値は、GetExitCode()により取得できる。
    int Controller::watch_input()
    {
        for (;;) {
            auto buffer = std::string{};

            if (std::getline(is_, buffer)) {
                if (auto exit_code = dispatch(buffer)) {
                    return *exit_code;
                }
            }
        }

        assert(false);
        return 0;
    }

    /// @brief 受け取った文字列をパースして、ディスパッチする
    /// @param std::istreamから受け取った文字列
    /// @return プログラムを終了する場合、exitコードを返す
    std::optional<int> Controller::dispatch(std::string const& command)
    {
        switch (command.at(0)) {
        case '+':
            model_.ConvertStoreAsync(command.substr(1));
            return std::nullopt;
        case '.':
            // do nothing
            return std::nullopt;
        case '=':
            Dispatcher::Inst().Stop();  // プログラム終了処理
            return 0;
            ...
        }
    }

    int Controller::GetExitCode() { return future_.get(); }

上記ソースコードで使用しているDispatcherについては「Dispatcher」で解説する。

View

「出力が競合してはならない」という要件は、以下のどちらかの方法で対処できる。

  1. std::istreamに対する一連の出力をロック(std::mutex)により排他制御する。
  2. std::istreamへの出力を行う一連の処理を特定の単一スレッドで行う(これにより処理が直列になる)。

ref_async_r6程度の単純なソフトウェアであれば上記1がシンプルな解となるが、 GUI APIを使用するような、ある程度複雑なアプリケーションの実装では、 上記2を選択するのが一般的である (ちなみにWindowsアプリケーションの処理系であるWPFでは、 GUI操作はメインスレッドのみに限定されている)。

ref_async_r6では、上記1を選択し、 「スレッドセーフでない処理(Viewの出力)を特定の単一スレッドで行うことにより、その競合を回避する」 例を示す。

MVCの構造により、Viewの出力は、Modelの状態変更(メンバー変数の変更) をトリガーとして(通常はそのコンテキスト上で)行われるため、 Viewの出力が競合するのであれば、その前段のModelのメンバ変数変更も競合する。 Viewの改善では、この両競合を同時に回避することはできないため、 「スレッドセーフでない処理を特定の単一スレッドで行うことにより、その競合を回避する」 機構はView以外の場所で作るべきであると判断できる。 よって、Viewには、ほぼ変更する必要がない。

    //  example/ref_async_r6/view.h 7

    class View : public Observer {
    public:
        explicit View(std::ostream& os) noexcept : Observer{}, os_{os} {}

    private:
        virtual void update(Model const& model) override;

        std::ostream& os_;
    };
    //  example/ref_async_r6/view.cpp 3

    void View::update(Model const& model)
    {
        for (auto const& str : model.GetStrings()) {  //   コメントを除き
            os_ << str << std::endl;                  //   ref_async_r4/view.cppと同じ
        }
    }

Model

Modelの要件は、以下のようなものである。

  1. Controllerから渡された文字列をModel::ConvertStoreAsync()により非同期に処理する。
  2. Model::ConvertStoreAsync()は渡された文字列をdo_heavy_algorithm()によって別の文字列に変換する。
  3. 変換された文字列をModel::strings_に保存し、Model::notify()を呼び出す。
  4. Model::notify()は、Observerを経由してView::Update()を呼び出す。

この動作の制約条件として、

  1. Modelは、同時実行されるModel::ConvertStoreAsync()の個数の上限値を持たない (複数個のスレッドを管理できなければならない)。
  2. Model::ConvertStoreAsync()の並行呼び出しにより生成されたそれぞれの文字列は、 それに対応するModel::ConvertStoreAsync()の呼び出し順序のまま保存されなければならない。
  3. ViewからのModelの状態表示は、別の状態表示と競合してはならない。

制約条件1から、Modelは複数個のスレッドを管理する必要がある(他のクラスに委譲しても良い)。 制約条件2、3からModel::ConvertStoreAsync()で起動されたスレッドのコンテキスト上で、 変換された文字列をModel::strings_に保存することや、View::Update()を呼び出すことはできない (「View」参照)。こうしなければ競合が発生してしまう。

このような制約を回避するため、スレッド管理を行う以下の2つのクラスを導入する。

これらは「スレッドセーフでない処理を特定の単一スレッドで行うことにより、その競合を回避する」 機構も内包している。

まずは、この2つのクラスを使用して改善したModelのソースコードを以下に示す。

    //  example/ref_async_r6/model.h 10

    class Observer {
    public:
        Observer() = default;
        void Update(Model const& model) { update(model); }
        virtual ~Observer() = default;

    private:
        virtual void update(Model const& model) = 0;
    };

    class Model {
    public:
        Model()  = default;
        ~Model() = default;
        void                            ConvertStoreAsync(std::string&& input);
        void                            Attach(Observer& observer);
        void                            Detach(Observer& observer);
        std::vector<std::string> const& GetStrings() const noexcept { return strings_; }

    private:
        void notify() const;

        std::vector<std::string> strings_{};
        std::list<Observer*>     observers_{};
    };
    //  example/ref_async_r6/model.cpp 5

    void Model::ConvertStoreAsync(std::string&& input)
    {
        TwoPhaseTaskPtr task
            = MakeTwoPhaseTaskPtr([str = std::move(input)] { return do_heavy_algorithm(str); },
                                  [this](auto&& str) {
                                      strings_.emplace_back(std::move(str));
                                      notify();
                                  });

        Dispatcher::Inst().Invoke(std::move(task));
    }

    void Model::Attach(Observer& observer) { observers_.emplace_back(&observer); }
    void Model::Detach(Observer& detach)
    {
        observers_.remove_if([&detach](Observer* observer) { return &detach == observer; });
    }

    void Model::notify() const
    {
        for (auto* observer : observers_) {
            observer->Update(*this);
        }
    }

Model::ConvertStoreAsync()を除いて、ref_async_r5で使用したModelとほぼ同じである。 なお、上記TwoPhaseTaskPtrは、

    //  example/ref_async_r6/lib.h 13

    /// @typedef TwoPhaseTaskPtr
    /// @brief std::unique_ptr<TwoPhaseTaskIF>オブジェクトを便利に使うためのエイリアス。
    using TwoPhaseTaskPtr = std::unique_ptr<TwoPhaseTaskIF>;

と定義されている。

非同期処理とその管理

Model::ConvertStoreAsync()の処理は、以下の2つから成立している。

  1. Model::ConvertStoreAsync()で行う処理を2つのラムダ式にして、 それらを引数にしてMakeTwoPhaseTaskPtr()を呼び出し、TwoPhaseTaskPtrオブジェクトを生成する。
  2. そのTwoPhaseTaskPtrオブジェクトを引数にしてDispatcher::Invoke()を呼び出す。

そのソースコードから推測できるように、Model::ConvertStoreAsync()は、

以下にその詳細を説明する。

TwoPhaseTaskIF(TwoPhaseTaskPtr)

ModelからDispatcherへ委譲されるラムダ式を管理するための基底クラスとして、 以下のようなTwoPhaseTaskIFを定義する。

    //  example/ref_async_r6/lib.h 20

    /// @brief Dispatcherに代理実行するためのタスクを定義するためのクラスのインターフェース。
    ///        TwoPhaseTask<>のベースクラス。
    class TwoPhaseTaskIF {
    public:
        TwoPhaseTaskIF() = default;

        void DoPreTask() { do_pre_task(); }
        bool IsPreTaskDone() const { return is_pre_task_done_; }
        void PreTaskDone() { is_pre_task_done_ = true; }
        bool DoPostTask() { return do_post_task(); }
        virtual ~TwoPhaseTaskIF() = default;

        ...

    private:
        bool is_pre_task_done_{false};

        virtual void do_pre_task()  = 0;
        virtual bool do_post_task() = 0;
    };

TwoPhaseTaskIFから派生する以下のような具象クラスTwoPhaseTask<PRE, POST>を定義する。

    //  example/ref_async_r6/lib.h 93

    /// @brief Dispatcherが管理するタスクを管理するTwoPhaseTaskIFの具象クラス
    /// @tparam PRE  非同期に行われる処理を記述したラムダ式の型。重い処理を行う。
    /// @tparam POST PREの実行の結果をModelに保存するラムダ式の型。
    ///               この処理は、スレッドセーフでないため、単一のスレッドで行う。
    ///               ブロックしたり、重い処理を行ってはならない。
    template <typename PRE, typename POST>
    class TwoPhaseTask final : public TwoPhaseTaskIF {
    public:
        using Result = decltype(std::declval<PRE>()());  // PRE()の戻り値型

        // POSTは、bool post(T)のような関数型でなければならない。
        static_assert(std::is_same_v<bool, decltype(std::declval<POST>()(Result()))>);

        TwoPhaseTask(PRE pre_task, POST post_task)
            : pre_task_{pre_task}, post_task_{post_task}, result_{}
        {
        }

        virtual ~TwoPhaseTask() override = default;

    private:
        /// @brief PREを非同期実行し、終了をDispatcherに通知
        virtual void do_pre_task() override
        {
            result_ = std::async(std::launch::async, [this] {
                auto ret = Result{pre_task_()};
                Dispatcher::Inst().Notify(*this);
                return ret;
            });
        }

        /// @brief PREの戻り値を添えてPOSTを同期実行
        virtual bool do_post_task() override { return post_task_(result_.get()); }

        PRE                 pre_task_;
        POST                post_task_;
        std::future<Result> result_;
    };

すでに掲載したが、念のため再度TwoPhaseTaskPtrの定義を示す。

    //  example/ref_async_r6/lib.h 13

    /// @typedef TwoPhaseTaskPtr
    /// @brief std::unique_ptr<TwoPhaseTaskIF>オブジェクトを便利に使うためのエイリアス。
    using TwoPhaseTaskPtr = std::unique_ptr<TwoPhaseTaskIF>;

TwoPhaseTaskPtrオブジェクト(TwoPhaseTaskIFオブジェクトとほぼ等価) の生成を行うファクトリ関数を以下のように定義する。

    //  example/ref_async_r6/lib.h 135

    /// @brief TwoPhaseTaskIFオブジェクトを生成するファクトリ関数
    /// @tparam PRE       TwoPhaseTaskのPRE
    /// @tparam POST_BODY TwoPhaseTaskのPOSTの中身で、戻り値はvoid
    template <typename PRE, typename POST_BODY>
    TwoPhaseTaskPtr MakeTwoPhaseTaskPtr(PRE pre_task, POST_BODY post_body)
    {
        using T        = decltype(std::declval<PRE>()());
        auto post_task = [post_body](T&& pre_result) {
            post_body(std::move(pre_result));
            return true;
        };

        return std::make_unique<TwoPhaseTask<PRE, decltype(post_task)>>(pre_task, post_task);
    }

TwoPhaseTask<>は以下のような前提を持つ。

DispatcherやTwoPhaseTaskPtrオブジェクトは以上の前提から、以下のような処理を行う。

Dispatcher

Dispatcherは、「TwoPhaseTaskIF(TwoPhaseTaskPtr)」で説明した動作に加え、 以下のような特徴、前提を持つ。

Dispatcherのクラス宣言、定義を下記する。

    //  example/ref_async_r6/lib.h 49

    /// @brief InvokeされたTwoPhaseTaskPtrの
    ///         * PreTaskを非同期に呼び出し、終了時自分に通知する。
    ///         * PreTask終了通知をトリガーに、PreTaskの結果を引数にしてPostTaskを
    ///           ExecUntilStop()のコンテキスト上で呼び出す。
    ///        ExecUntilStop()は、Stop()が呼び出されるまでリターンしない。
    class Dispatcher {
    public:
        static Dispatcher& Inst();

        /// @brief TwoPhaseTaskPtrを登録してPreTaskを非同期実行。
        /// @param TwoPhaseTaskPtrオブジェクトのrvalue。
        void Invoke(TwoPhaseTaskPtr&&);

        /// @brief 登録されているTaskの処理が終わったら、ExecUntilStop()がリターンする。
        void Stop();

        /// @brief PreTaskがその終了を通知する
        void Notify(TwoPhaseTaskIF& task);

        /// @brief 終了したPreTaskの対のPostTaskをPreTaskの戻り値を添えて呼び出す。
        void ExecUntilStop();

        ...

    private:
        Dispatcher() = default;
        TwoPhaseTaskPtr pop_task();
        void            push_task(TwoPhaseTaskPtr&& task, bool stop);

        std::mutex mutex_{};

        std::queue<TwoPhaseTaskPtr> two_phase_tasks_{};
        std::condition_variable     pre_task_done_{};
        bool                        stoped_{false};
    };

Dispatcherのメンバ関数定義は、次節に掲載する。

TwoPhaseTaskPtrキュー管理機構

これまでの説明やソースコードからわかるように、ref_async_r6の並行処理は、 TwoPhaseTaskPtrのキュー管理機構によって実現されている。 TwoPhaseTaskPtrのキュー管理機構は、 下記表に示したDispatcher内部のSTLクラスにより実装されている。 ここでは、その詳細について説明を行う。

インスタンス 役割
std::queue<TwoPhaseTaskPtr> Dispatcher::two_phase_tasks_ TwoPhaseTaskPtrキュー
std::condition_variable Dispatcher::pre_task_done_ イベント待ち、イベント通知
std::mutex Dispatcher::mutex_ TwoPhaseTaskPtrキューの排他
std::unique_lock<std::mutex> 関数ローカル イベント待ち解除時の排他
std::lock_guard<std::mutex> 関数ローカル mutex_のRAII

なお、std::condition_variableを用いたイベント待ちに、

    std::condition_variable::wait(lock)

を使用する場合、「Spurious Wakeup」への対処が必要になるが、

    std::condition_variable::wait(lock, 関数オブジェクト)

にはその対処が含まれているため、前者を非推奨とし、ここでは後者を使用する。

TwoPhaseTaskPtrキュー管理機構はDispatcher::Invoke()が呼び出されることを起点にして、 以下のようなプッシュ処理を行う。

  1. MakeTwoPhaseTaskPtr()により生成されたTwoPhaseTaskPtrオブジェクトを引数にして、 Dispatcher::Invoke()が呼び出される。
  2. Dispatcher::Invoke()はその仮引数であるTwoPhaseTaskPtrオブジェクトを引数にして、 Dispatcher::push_task()を呼び出す。
  3. Dispatcher::push_task()は、Dispatcher::mutex_によって排他されたセクションで (pop_task()との競合があり得る)、 TwoPhaseTaskPtrオブジェクトをDispatcher::two_phase_tasks_へプッシュする (その後、そのオブジェクトのDoPreTask()を実行し、非同期処理を開始させる)。
    //  example/ref_async_r6/lib.cpp 13

    void Dispatcher::Invoke(TwoPhaseTaskPtr&& task) { push_task(std::move(task), false); }

    void Dispatcher::push_task(TwoPhaseTaskPtr&& task, bool stop)
    {
        auto* st = task.get();
        assert(st != nullptr);
        {
            auto lock = std::lock_guard{mutex_};
            if (stoped_) {
                return;
            }
            stoped_ = stop;
            two_phase_tasks_.push(std::move(task));
        }
        st->DoPreTask();
    }

TwoPhaseTaskPtrキュー管理機構は以下のようにしてTwoPhaseTaskPtrオブジェクトのポップ処理を行う。

  1. Dispatcher::ExecUntilStop()は、Dispatcher::pop_task()の中で、 Dispatcher::pre_task_done_.wait()によりイベント待ちを行う。
  2. イベント待ち解除はDispatcher::Notify()中から、 pre_task_done_.notify_all()が呼び出されることによって行われる。
  3. 「pre_task_done_.notify_all()が呼び出され」且つ、 「Dispatcher::two_phase_tasks_の先頭TwoPhaseTaskPtrオブジェクトの非同期処理が完了」 していれば、Dispatcher::pop_task()のイベント待ち状態は解除される。
  4. Dispatcher::pop_task()のイベント待ち解除時に発生するクリティカルセクションは、 std::unique_lock<mutex>によって保護される(push_task()との競合があり得る)。
  5. このクリティカルセクションの中で、 Dispatcher::two_phase_tasks_からTwoPhaseTaskPtrオブジェクトがポップされることで、 そのTwoPhaseTaskPtrオブジェクトはキューの管理対象外となる (その後、そのTwoPhaseTaskPtrオブジェクトがスコープアウトした時点で自動deleteされる)。
    //  example/ref_async_r6/lib.cpp 43

    void Dispatcher::ExecUntilStop()
    {
        for (;;) {
            auto task = TwoPhaseTaskPtr{pop_task()};

            if (!task->DoPostTask()) {
                assert(two_phase_tasks_.empty());
                stoped_ = false;
                break;
            }
        }
    }

    void Dispatcher::Notify(TwoPhaseTaskIF& task)
    {
        auto lock = std::lock_guard{mutex_};

        task.PreTaskDone();
        pre_task_done_.notify_all();  // pop_taskでのイベント待ち解除
    }

    TwoPhaseTaskPtr Dispatcher::pop_task()
    {
        auto lock = std::unique_lock{mutex_};

        pre_task_done_.wait(lock, [this]() noexcept {  // イベント待ち
            return !two_phase_tasks_.empty() && two_phase_tasks_.front()->IsPreTaskDone();
        });

        // キューからのTwoPhaseTaskPtrオブジェクトのポップ
        auto task = TwoPhaseTaskPtr{std::move(two_phase_tasks_.front())};
        two_phase_tasks_.pop();

        return task;
    }

ref_async_r6の構造

ここまでで説明したように主に以下の5つのクラスがref_async_r6を構成する。

まずは、ref_async_r6のクラス図によりそれらの依存関係を示す。

すでに定義したref_async_r6の動作仕様を改めて下記する。

  1. 標準入力から文字列を受け取り、
  2. 文字列をパースし、コマンドと引数文字列に分離し、
  3. 引数文字列を、時間のかかるアルゴリズムで別の文字列に変換し、
  4. 変換文字列を記録し、
  5. 記録した全ての変換文字列をstd::coutに出力する。

上記クラスを使い、この動作仕様を実現するシーケンス図を下記する。

まとめ

本章では、C++03から大幅に改善されたC++11以降の機能を使い、並行処理プログラミングについて解説したが、 文脈に沿わなかったことにより、説明を割愛した事項もあるため、以下に改めて注意点をまとめる。

並行処理はそれ自体が複雑であり、その実装やデバッグは難しい。 一方でハードウェア性能を十分に引き出すソフトウェアの開発には絶大な効果を発揮する方法であるため、 多くのプログラマにとって、避けて通ることはできない、時間を投資するに値する技術である。 そのことを良く心得て、実践に当たってほしい。

テンプレートメタプログラミング

本章でのテンプレートメタプログラミングとは、下記の2つを指す。

C++においては、この2つはテンプレートを用いたプログラミングとなる。

ジェネリックプログラミングとは、具体的なデータ型に依存しない抽象的プログラミングであり、 その代表的な成果物はSTLのコンテナやそれらを扱うアルゴリズム関数テンプレートである。

この利点は、

の開発を行うことを考えれば明らかである。

ジェネリックプログラミングが無ければ、コンテナの種類はi x j個必要になり、 それらに適用するアルゴリズム関数は、i x j x k個必要になる。 また、サポートする型の増加に伴いコンテナやアルゴリズム関数は指数関数的に増えて行く。 C言語のqsort()のように強引なキャストを使い、この増加をある程度食い止めることはできるが、 それによりコンパイラによる型チェックは無効化され、 静的な型付け言語を使うメリットの多くを失うことになる。

メタプログラミングとは、

のような目的で行われるテンプレートプログラミングの総称である。

ジェネリックプログラミングとメタプログラミングに明確な境界はない、 また明確にしたところで大きなメリットはと思われるため、 本章では、これらをまとめた概念であるテンプレートメタプログラミングとして扱い、 ログ取得ライブラリやSTLを応用したNstdライブラリの実装を通して、 これらのテクニックや、使用上の注意点について解説する。

c++20から導入されたコンセプトによりジェネリックプログラミングは、 開発容易性、可読性、保守性が大きく向上しため、この章のコード例には、 コンセプト(concept, requires)を多用した。

が、この副作用として、 c++17までしか使えない読者の参考にならないコードが増えてしまうことを避けるため、 以下のような#ifdefを使うことによりc++17でも使えるコード例となるようにした (本来、#ifdefは使うべきではないが、#ifdefの数少ない使いどころだと判断した)。

    //  example/template/cplusplus.cpp 4

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    // c++20以上の機能を使い、c++17以下の機能ではill-formedとなるコード
    template <typename T, typename U>
    concept same_as = requires(T const* t, U const* u)
    {
        {t = u, u = t};
    };

    #else  // c++17以下の機能を使い上記のコードと同じ機能を持つ実装
    template <typename T, typename U>
    inline constexpr bool same_as = std::is_same_t<T, U>;
    #endif

この章の構成

   ログ取得ライブラリの開発
    要件
    ログ取得ライブラリのインターフェース
    パラメータパック
    Loggerの実装
    ユーザ定義型とそのoperator<<のname lookup
    Ints_tのログ登録

   Nstdライブラリの開発
    Nstdライブラリを使用したリファクタリング
    安全なvector
    安全な配列型コンテナ
    初期化子リストの副作用

   メタ関数のテクニック
    STLのtype_traits
    is_void_xxxの実装
    is_same_xxxの実装
    AreConvertibleXxxの実装
    関数の存在の診断

   Nstdライブラリの開発2
    SafeArray2の開発
    Nstd::SafeIndexの開発
    Nstd::SafeIndexのoperator<<の開発
    コンテナ用Nstd::operator<<の開発

   Nstdライブラリの開発3(浮動小数点関連)
    浮動小数点の比較
    固定小数点クラス
    固定小数点リテラル
    有理数クラス
    有理数リテラル

   ログ取得ライブラリの開発2
   その他のテンプレートテクニック
    ユニバーサルリファレンスとstd::forward
    ジェネリックラムダによる関数内での関数テンプレートの定義
    クラステンプレートと継承の再帰構造
    意図しないname lookupの防止
    Nstd::Type2Strの開発
    静的な文字列オブジェクト
    関数型をテンプレートパラメータで使う

   注意点まとめ

このドキュメントの構成に戻る。
___

ログ取得ライブラリの開発

ここではログ取得ライブラリの開発を行う。

要件

ログ取得ライブラリの要件は、

ことのみとする。下記はその文字列を取り出した例である。

    app/src/main.cpp: 96:Options
                         cmd       : GenPkg
                         in        : 
                         out       : 
                         recursive : true
                         src_as_pkg: false
        ...

    app/src/main.cpp: 51:start GenPkg

    file_utils/ut/path_utils.cpp: 38:1
    file_utils/ut/path_utils.cpp: 48:ut_data/app1
                         ut_data/app1/mod1
                         ut_data/app1/mod2

        ...

    app/src/main.cpp:100:Exit:0

単純化のためログの番号やタイムスタンプのサポートはしない。 また、実行速度や仕様メモリ量の制限等も本章の趣旨とは離れるため考慮しない。

ログ取得ライブラリのインターフェース

ログ取得コードにより、コードクローンが増えたり、主なロジックの可読性が下がったのでは、 本末転倒であるため、下記のようにワンライナーで記述できるべきだろう。

    LOGGER("start GenPkg", objA, objB, objC);

また、要件で述べた通り、ソースコード位置を特定できなければならないため、 上記LOGGERは下記のような関数型マクロにならざるを得ない。

    #define LOGGER(...) CppLoggerFunc(__FILE__, __LINE__, __VA_ARGS__)

CppLoggerFuncをクラス外の関数として実装した場合、ログ保持のための静的なオブジェクトが必要になる。 これは避けるべきなので、「Singleton」で述べた構造を導入すると、

    #define LOGGER(...) Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__, __VA_ARGS__)

のような関数型マクロとなる。これがログ取得ライブラリの主なインターフェースとなる。

C言語プログラミングばかりをやりすぎて、 視神経と手の運動神経が直結してしまった大脳レス・プログラマーは、

    __VA_ARGS__

を見るとprintf(…)のような可変長引数を取る関数を思い浮かべる。 「人は一昨日も行ったことを昨日も行ったという理由で、今日もそれを行う」 という諺を思い出すと気持ちは分からなくもないが、 C++ではprintf(…)のような危険な可変長引数を取る関数を作ってはならない。 パラメータパックを使って実装するべきである。

パラメータパック

C++11で導入されたパラメータパックはやや複雑なシンタックスを持つため、 まずは単純な例から説明する。

次のような単体テストをパスする関数テンプレートsumをパラメータパックで実装することを考える。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 26

    ASSERT_EQ(1, sum(1));
    ASSERT_EQ(3, sum(1, 2));
    ASSERT_EQ(6, sum(1, 2, 3));
    ASSERT_FLOAT_EQ(6.0, sum(1, 2.0, 3.0));
    ASSERT_EQ(10, sum(1, 2, 3, 4));

    ...

    ASSERT_EQ(55, sum(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10));

    ...

sumの要件は、

のようなものになるため、関数テンプレートsumは下記のように書ける。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 9

    template <typename HEAD>
    int sum(HEAD head)
    {
        return head;
    }

    template <typename HEAD, typename... TAIL>
    int sum(HEAD head, TAIL... tails)
    {
        return head + sum(tails...);
    }

1つ目の関数テンプレートsumは引数が一つの場合に対応する。 2つ目の関数テンプレートsumは引数が2つ以上の場合に対応する。

2つ目の関数テンプレートsumのテンプレートパラメータ

    typename... TAIL

がパラメータパックであり、0個以上の型が指定されることを意味する。 これを関数の引数として表すシンタックスが

    TAIL... tails

であり、同様に0個以上のインスタンスが指定されることを表している。

HEADとTAILより、2つ目のsumは1個以上の引数を取れることになるため、 引数が1つの場合、どちらのsumを呼び出すかが曖昧になるように思えるが、 ベストマッチの観点から1つ目のsumが呼び出される。

sum(1, 2, 3)の呼び出し時のsumの展開を見てみることでパラメータパックの振る舞いを解説する。

この呼び出しは、2つ目のsumにマッチする。従って下記のように展開される。

    return 1 + sum(2, 3);

sum(2, 3)も同様に展開されるため、上記コードは下記のようになる。

    return 1 + 2 + sum(3);

sum(3)は1つ目のsumにマッチするため、最終的には下記のように展開される。

    return 1 + 2 + 3;

これで基本的な要件は満たしたが、このsumでは下記のようなコードもコンパイルできてしまう。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 43

    ASSERT_EQ(2, sum(1, true, false));

これを認めるかどうかはsumの仕様次第だが、ここではこれらを認めないようにしたい。 また、引数に浮動小数が与えられた場合でも、sumの戻り値の型がintなる仕様には問題がある。 合わせてそれも修正する。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 53

    template <typename HEAD>
    auto sum(HEAD head)
    {
        // std::is_sameの2パラメータが同一であれば、std::is_same<>::value == true
        static_assert(!std::is_same<HEAD, bool>::value, "arguemnt type must not be bool.");

        return head;
    }

    template <typename HEAD, typename... TAIL>
    auto sum(HEAD head, TAIL... tails)
    {
        // std::is_sameの2パラメータが同一であれば、std::is_same<>::value == true
        static_assert(!std::is_same<HEAD, bool>::value, "arguemnt type must not be bool.");

        return head + sum(tails...);
    }
    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 83

    // boolを除く算術型のみ認めるため、下記はコンパイルできない。
    // ASSERT_EQ(2, sum(1, true, false));

    auto i1 = sum(1);
    auto i2 = sum(1, 2);

    static_assert(std::is_same<int, decltype(i1)>::value);  // 1の型はint
    static_assert(std::is_same<int, decltype(i2)>::value);  // 1 + 2の型はint

    auto u1 = sum(1U);
    auto u2 = sum(1U, 2);

    static_assert(std::is_same<unsigned int, decltype(u1)>::value);  // 1Uの型はunsigned int
    static_assert(std::is_same<unsigned int, decltype(u2)>::value);  // 1U + 2の型はunsigned int

    auto f0 = sum(1.0, 1.2);
    static_assert(std::is_same<double, decltype(f0)>::value);

    // ただし、戻り型をautoにしたため、下記も認められるようになった。
    // これに対しての対処は別の関数で行う。
    auto str = sum(std::string{"1"}, std::string{"2"});

    ASSERT_EQ(str, "12");
    static_assert(std::is_same<std::string, decltype(str)>::value);

以上で示したようにパラメータパックにより、 C言語での可変長引数関数では不可能だった引数の型チェックができるようになったため、 C言語でのランタイムエラーがコンパイルエラーにできるようになった。

なお、上記コードで使用したstd::is_sameは、 与えられた2つのテンプレートパラメータが同じ型であった場合、 valueをtrueで初期化するクラステンプレートであり、 type_traitsで定義されている (後ほど使用するstd::is_same_vはstd::is_same<>::valueと等価な定数テンプレート)。 この実装については、後ほど説明する。

演習-パラメータパック

パラメータパックの畳みこみ式

上記したsumは、パラメータパックの展開に汎用的な再帰構造を用いたが、 C++17で導入された畳みこみ式を用い、以下の様に簡潔に記述することもできる。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 123

    template <typename... ARGS>
    auto sum(ARGS... args)
    {
        return (args + ...);  // 畳みこみ式は()で囲まなければならない。
    }
    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 134

    ASSERT_EQ(1, sum(1));
    ASSERT_EQ(3, sum(1, 2));
    ASSERT_EQ(6, sum(1, 2, 3));
    ASSERT_EQ(6.0, sum(1, 2.0, 3.0));
    ASSERT_EQ(10, sum(1, 2, 3, 4));
    ASSERT_EQ(55, sum(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10));

畳みこみ式で使用できる演算子を以下に示す。

    + - * / % ^ & | = < > << >> += -= *= /= %= ^= &= |= <<= >>= == != <= >= && || , .* ->*

これらの演算子がオーバーロードである場合でも、畳みこみ式は利用できる。

前から演算するパラメータパック

パラメータパックを使うプログラミングでは、 上記したHEADとTAILによるリカーシブコールがよく使われるパターンであるが、 これには後ろから処理されるという、微妙な問題点がある。

これまでのsumに代えて下記のようなproduct(掛け算)を考える。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 149

    template <typename HEAD>
    auto product(HEAD head)
    {
        static_assert(!std::is_same_v<HEAD, bool>, "arguemnt type must not be bool.");
        static_assert(std::is_arithmetic_v<HEAD>, "arguemnt type must be arithmetic.");

        return head;
    }

    template <typename HEAD, typename... TAIL>
    auto product(HEAD head, TAIL... tails)
    {
        static_assert(!std::is_same_v<HEAD, bool>, "arguemnt type must not be bool.");
        static_assert(std::is_arithmetic_v<HEAD>, "arguemnt type must be arithmetic.");

        return head * product(tails...);
    }

このコードの単体テストは、

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 173

    ASSERT_EQ(1, product(100, 0.1, 0.1));

のようになるだろうが、 std::numeric_limits<>::epsilonを使用していないため (「浮動小数点型」参照) 、このテストはパスしない。一方で、以下のテストはパスする。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 178

    ASSERT_EQ(1, product(0.1, 0.1, 100));

一般に0.01の2進数表現は無限小数になるため、これを含む演算にはepsilon以下の演算誤差が発生する。 前者単体テストでは、後ろから演算されるために処理の途中に0.01が現れるが、 後者では現れないため、この誤差の有無が結果の差になる。

このような演算順序による微妙な誤差が問題になるような関数を開発する場合、 演算は見た目の順序通りに行われた方が良いだろう。 ということで、productを前から演算するように修正する。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 196

    template <typename HEAD>
    auto product(HEAD head)
    {
        static_assert(!std::is_same_v<HEAD, bool>, "arguemnt type must not be bool.");
        static_assert(std::is_arithmetic_v<HEAD>, "arguemnt type must be arithmetic.");

        return head;
    }

    template <typename HEAD, typename HEAD2, typename... TAIL>
    auto product(HEAD head, HEAD2 head2, TAIL... tails)
    {
        static_assert(!std::is_same_v<HEAD, bool>, "arguemnt type must not be bool.");
        static_assert(std::is_arithmetic_v<HEAD>, "arguemnt type must be arithmetic.");

        return product(head * head2, tails...);
    }

HEAD、TAILに加えHEAD2を導入することで、前からの演算を実装できる (引数が一つのproductに変更はない)。当然ながら、これにより、

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 220

    ASSERT_EQ(1, product(100, 0.1, 0.1));

はパスし、下記はパスしなくなる。

    //  example/template_cpp17/parameter_pack_ut.cpp 225

    ASSERT_EQ(1, product(0.1, 0.1, 100));

Loggerの実装

パラメータパックを使用したログ取得コードは以下のようになる。

    //  example/template/logger_0.h 48

    #define LOGGER_P(...) Logging::Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__)
    #define LOGGER(...) Logging::Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__, __VA_ARGS__)

予定していたものと若干違う理由は、__VA_ARGS__が1個以上の識別子を表しているからである。 従って、通過ポイントのみをロギングしたい場合、LOGGER_P()を使うことになる。 gcc拡張を使えば、LOGGER_PとLOGGERを統一できるが、そのようなことをすると別のコンパイラや、 静的解析ツールが使用できなくなることがあるため、残念だが上記のように実装するべきである。

Loggerクラスの実装は、下記のようになる。

    //  example/template/logger_0.h 6

    namespace Logging {
    class Logger {
    public:
        static Logger&       Inst();
        static Logger const& InstConst() { return Inst(); }

        std::string Get() const;  // ログデータの取得
        void        Clear();      // ログデータの消去

        template <typename... ARGS>  // ログの登録
        void Set(char const* filename, uint32_t line_no, ARGS const&... args)
        {
            oss_.width(32);
            oss_ << filename << ":";

            oss_.width(3);
            oss_ << line_no;

            set_inner(args...);
        }

        Logger(Logger const&)            = delete;
        Logger& operator=(Logger const&) = delete;

    private:
        void set_inner() { oss_ << std::endl; }

        template <Nstd::Printable HEAD, Nstd::Printable... TAIL>
        void set_inner(HEAD const& head, TAIL const&... tails)
        {
            oss_ << ":" << head;
            set_inner(tails...);
        }

        Logger() {}
        std::ostringstream oss_{};
    };
    }  // namespace Logging

すでに述べた通り、

ようにした。 また、識別子の衝突を避けるために、名前空間Loggingを導入し、Loggerはその中で宣言した。

次に、どのように動作するのかを単体テストで示す。

    //  example/template/logger_0_ut.cpp 16

    auto a = 1;
    auto b = std::string{"b"};

    LOGGER_P();               // (1)
    LOGGER(5, "hehe", a, b);  // (2)
    auto line_num = __LINE__;

    auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

    auto exp = std::string{log_str_exp(__FILE__, line_num - 2, "\n")};  // (1)のログ
    exp += log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":5:hehe:1:b\n");        // (2)のログ
    ASSERT_EQ(exp, s);

    Logging::Logger::Inst().Clear();  // クリアの確認
    ASSERT_EQ("", Logging::Logger::InstConst().Get());

行を含む出力の期待値をソースコードに直接書くと行増減のたびにそれらを修正する必要ある。 期待値の一部を自動計算する下記コード(上記コードで使用)を単体テストに導入することで、 そういった修正を避けている。

    //  example/template/logger_ut.h 4

    inline std::string line_to_str(uint32_t line)
    {
        if (line < 10) {
            return ":  ";
        }
        else if (line < 100) {
            return ": ";
        }
        else if (line < 1000) {
            return ":";
        }
        else {
            assert(false);  // 1000行を超える単体テストファイルを認めない
            return "";
        }
    }

    inline std::string log_str_exp(char const* filename_cstr, uint32_t line, char const* str)
    {
        auto const filename = std::string{filename_cstr};
        auto const len      = 32 > filename.size() ? 32 - filename.size() : 0;
        auto       ret      = std::string(len, ' ');

        ret += filename;
        ret += line_to_str(line);
        ret += std::to_string(line);
        ret += str;

        return ret;
    }

アプリケーションの開発では、 下記のようなユーザが定義した名前空間とクラスを用いることがほとんどである。

    //  example/template/app_ints.h 12

    namespace App {

    class X {
    public:
        X(std::string str, int num) : str_{std::move(str)}, num_{num} {}
        std::string ToString() const { return str_ + "/" + std::to_string(num_); }
        ...
    };
    }  // namespace App

このApp::Xのインスタンスのログを取得できることも、当然Logging::Loggerの要件となる。 従って、下記の単体テストはコンパイルでき、且つパスすることが必要になる。

    //  example/template/logger_0_ut.cpp 42

    auto x = App::X{"name", 3};

    LOGGER(1, x);
    auto line_num = __LINE__;

    auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

    auto exp = std::string{log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":1:name/3\n")};
    ASSERT_EQ(exp, s);

Logging::Loggerのコードからオブジェクトのログを登録するためには、 Logging::Logger::set_innerがコンパイルできなければならない。 つまり、

    std::ostream& operator<<(std::ostream&, ログ登録オブジェクトの型)

の実装が必要条件となる。App::Xでは下記のようなコードになる。

    //  example/template/app_ints.h 28

    namespace App {

    inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, X const& x) { return os << x.ToString(); }
    }  // namespace App

他の任意のユーザ定義型に対しても、このようにすることでログ登録が可能になる。

なお、ヒューマンリーダブルな文字列でその状態を表示できる関数をユーザ定義型に与えることは、 デバッガを使用したデバッグ時にも有用である。

ユーザ定義型とそのoperator<<のname lookup

ここで、一旦Logging::Loggerの開発を止め、 Logging::Logger::set_innerでのApp::operator<<のname lookupについて考えてみることにする。

ここまでで紹介したログ取得ライブラリやそれを使うユーザ定義型等の定義、宣言の順番は、

  1. Logging::Logger
  2. App::X
  3. App::operator<<
  4. 単体テスト(Logger::set_innerのインスタンス化される場所)

となっている。 name lookupの原則に従い、App::Xの宣言は、App::operator<<より前に行われている。 これを逆にするとコンパイルできない。 しかし、Logging::Loggerは、後から宣言されたApp::operator<<を使うことができる。 多くのプログラマは、これについて気づいていないか、その理由を間違っての認識している。

その認識とは、「テンプレート内の識別子のname lookupは、 それがインスタンス化される時に行われる」というものであり、これにより 「 Logging::Loggerのname lookupは単体テスト内で行われる。 それはApp::operator<<宣言後であるためコンパイルできる」と考えることができるが、 two phase name lookupで行われるプロセスと反するため誤りである。

まずは、この認識の誤りを下記のコードで説明する。

    //  example/template/logger_0_ut.cpp 68

    namespace App2 {
    class X {
    public:
        explicit X(std::string str, int num) : str_{std::move(str)}, num_{num} {}
        std::string ToString() const { return str_ + "/" + std::to_string(num_); }
        ...
    };
    }  // namespace App2

    namespace App3 {  // App3をApp2にすればコンパイルできる
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, App2::X const& x) { return os << x.ToString(); }
    }  // namespace App3

    namespace {

    TEST(Template, logger_0_X_in_AppX)
    {
        Logging::Logger::Inst().Clear();

        auto x = App2::X{"name", 3};

        using namespace App3;  // この記述は下記のエラーに効果がない

        LOGGER(1, x);  // ここがコンパイルエラーとなる
        auto line_num = __LINE__;

        auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

        auto exp = std::string{log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":1:name/3\n")};
        ASSERT_EQ(exp, s);
    }
    }  // namespace

このコードは、もともとのコードの名前空間名をApp2とApp3にしただけのものである。 もし、前記した「認識」の内容が正しいのであれば、このコードもコンパイルできるはずであるが (実際にApp3と書いた部分をApp2に書き換えればコンパイルできる)、 実際には下記のようなエラーが発生する。

    logger_0.h:37:21: error: no match for ‘operator<<’ 
    (operand types are ‘std::basic_ostream<char>’ and ‘const App2::X’)
       37 |         oss_ << ":" << head;
          |         ~~~~~~~~~~~~^~~~~~~

エラー内容からoperator<<が発見できないことは明らかである。 単体テスト内でのusing namespace App3はLogging::Logger::set_innerの宣言より後に書かれているため、 このエラーを防ぐ効果はない。

Logging::Logger::set_innerの中でusing namespace App3とした上で、 two phase name lookupの原則に従い、 App2::XとApp3::operator<<をLogging::Loggerの宣言より前に宣言することで、 ようやくコンパイルすることができる。

名前空間Appの例と名前空間App2、App3の例での本質的な違いは、 「型Xとそのoperator<<が同じ名前空間で宣言されているかどうか」である。

名前空間Appの例の場合、型Xとそのoperator<<が同じ名前空間で宣言されているため、 ADL(実引数依存探索)が働く。 また、Logging::Logger::set_inner(x)はテンプレートであるため、two phase name lookup が使用される。 その結果、Logging::Logger::set_inner(x)でのname lookupの対象には、 「Logging::Logger::set_inner(x)がインスタンス化される場所 (単体テスト内でのLOGGER_PやLOGGERが使われている場所)より前方で宣言された名前空間App」も含まれる。 こういったメカニズムにより、 Logging::Logger::set_inner定義位置の後方で宣言されたApp::operator<<も発見できることになる。

一方で、名前空間App2、App3の例では、型XがApp2で宣言されているため、 Logging::Logger::set_inner(x)でのname lookupの対象にApp3は含ず、 App3::operator<<は発見されない(繰り返すが、インスタン化の場所直前でのusing nameには効果がない)。

型Xとそのoperator<<を同じ名前空間で宣言することは本質的に重要なことであるが、 名前空間を使用する場合、自然にそのような構造になるため、 その重要性の理由を知る必要はないように思われる。 しかし、次の例で示すようにこのメカニズムを知らずに解決することができないケースが存在する。

Ints_tのログ登録

話題はログ取得ライブラリの開発に戻る。 アプリケーションの開発では、下記のように宣言された型エイリアスを使うことは珍しくない。

    //  example/template/app_ints.h 6

    namespace App {
    using Ints_t = std::vector<int>;
    }

そのoperator<<を下記のように定義したとする。

    //  example/template/logger_0_ut.cpp 109

    namespace App {
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Ints_t const& ints)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const i : ints) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace App

単体テストは下記のように書けるが、残念ながらコンパイルエラーになり、

    //  example/template/logger_0_ut.cpp 131

    auto ints = App::Ints_t{1, 2, 3};

    auto oss = std::ostringstream{};

    oss << ints;
    ASSERT_EQ("1, 2, 3", oss.str());

下記のようなエラーメッセージが表示される。

    logger_0_ut.cpp:140:9: error: no match for ‘operator<<’
        (operand types are ‘std::ostringstream’ {aka ‘std::basic_ostringstream<char>’}
         and ‘App::Ints_t’ {aka ‘std::vector<int>’})
      140 |     oss << ints;
          |     ~~~ ^~ ~~~~
          |     |      |
          |     |      App::Ints_t {aka std::vector<int>}
          |     std::ostringstream {aka std::basic_ostringstream<char>}

Ints_tはAppで定義されているが、実際の型はstdで定義されているため、 instsの関連名前空間もstdであり、Appではない。 その結果App::operator<<は発見できず、このようなエラーになった。

LOGGERからApp::operator<<を使う場合の単体テストは下記のようになるが、 ADLによってLogging::Logger::set_inner(ints)内に導入される名前空間はstdのみであり、 前記単体テスト同様にコンパイルできない。

    //  example/template/logger_0_ints_ut.h 8

    auto ints = App::Ints_t{1, 2, 3};

    LOGGER("Ints", ints);
    auto line_num = __LINE__;

    auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

    auto exp = std::string{log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":Ints:1, 2, 3\n")};
    ASSERT_EQ(exp, s);

この解決方法は、

のようにいくつか考えられる。以下では、順を追ってこれらの問題点について解説を行う。

operator<<をstd内で宣言する

ここで解決したい問題は、すでに示した通り、 「ADLによってLogging::Logger::set_inner(ints)内に導入される名前空間はstdである」 ことにって発生する。であれば、App内でのoperator<<の宣言をstdで行えばコンパイルできるはずである。 下記はその変更を行ったコードである。

    //  example/template/app_ints.h 6

    namespace App {
    using Ints_t = std::vector<int>;
    }
    //  example/template/logger_0_std_ut.cpp 11

    namespace std {  // operator<<の定義をstdで行う
    ostream& operator<<(std::ostream& os, App::Ints_t const& ints)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : ints) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace std

上記コードはtwo phase name lookup等の効果により、想定通りコンパイルできるが、 stdをユーザが拡張することは一部の例外を除き未定義動作を引き起こす可能性があり、 たとえこのコードがうまく動作したとしても (実際、このコードはこのドキュメント作成時には正常動作している)、 未来においてその保証はなく、このようなプログラミングは厳に避けるべきである。

operator<<をグローバル名前空間内で宣言する

すでに述べた通り、 「ADLによってLogging::Logger::set_inner(ints)内に導入される名前空間はstdのみである」ため、 この関数の中でのname lookupに使用される名前空間は、std、グローバル名前空間、 Loggerを宣言しているLoggingの3つである。

ここでは、下記のコードのようにグローバル名前空間内でのoperator<<の宣言を試す。

    //  example/template/app_ints.h 6

    namespace App {
    using Ints_t = std::vector<int>;
    }
    //  example/template/logger_0_global_ut.cpp 10

    // グローバル名前空間
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, App::Ints_t const& ints)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : ints) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }

このドキュメントで使用しているg++ではこのコードはコンパイルでき、 動作も問題ないように思われるが、clang++では以下のようなエラーが発生し、コンパイルできない。

    ./logger_0.h:37:21: error: call to function 'operator<<' that is neither 
    visible in the tem plate definition nor found by argument-dependent lookup
            oss_ << ":" << head;

この理由は「two phase name lookup」の後半で詳しく解説したので、ここでは繰り返さないが、 このようなコードを使うと、コード解析ツール等が使用できなくなることがあるため、 避けるべきである (「scan-buildによる静的解析」参照) 。

多くのプログラマは、コードに問題があるとしても、 それが意図通りに動くように見えるのであればその問題を無視する。 今回のような難題に対しては、なおさらそのような邪悪な欲求に負けやすい。 そのような観点でclang++が吐き出したエラーメッセージを眺めると、上記したメッセージの後に、 下記のような出力を見つけるかもしれない。

    logger_0_global_ut.cpp:13:15: note: 'operator<<' should be declared prior to the call site
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, App::Ints_t const& ints)

clang++は「LOGGERの前にoperator<<を宣言せよ」と言っている。 実際そうすれば、clang++でのコンパイルも通り、単体テストもパスする。 しかし、それには下記のような問題がある。

以上述べた理由からこのアイデアを選択するべきではない。

operator<<をLogging内で宣言する

前節でのグローバル名前空間内でのoperator<<の宣言はうまく行かなかったので、 同様のことをLoggingで試す。

    //  example/template/app_ints.h 6

    namespace App {
    using Ints_t = std::vector<int>;
    }
    //  example/template/logger_0_logging_ut.cpp 10

    namespace Logging {  // operator<<の定義をLoggingで行う
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, App::Ints_t const& ints)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : ints) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace Logging

動作はするものの、当然ながら結果は「operator<<をグローバル名前空間内で宣言する」 で述べた状況とほぼ同様であるため、このアイデアを採用することはできない。

Logging::Logger::set_inner(ints)内でusing namespace Appを行う

Logging::Logger::set_inner(ints)内でusing namespace Appを行えば、 意図通りに動作させることができるが、App内のロギングは名前空間Loggingに依存するため、 AppとLoggingが循環した依存関係を持ってしまう。 また、LoggingはAppに対して上位概念であるため、依存関係逆転の原則(DIP)にも反する。 よって、このアイデアを採用することはできない。

Ints_tを構造体としてApp内に宣言する

App::Ints_t用のoperator<<がLogging::Logger::set_inner内でname lookup出来ない理由は、 これまで述べてきたようにApp::Inst_tの関連名前空間がAppではなく、stdになってしまうからである。

これを回避するためにはその原因を取り払えばよく、 つまり、App::Inst_tの関連名前空間がAppになるようにすればよい。 これを実現するために、次のコードを試してみる。

    //  example/template/logger_0_struct_ut.cpp 10

    namespace App {                     // Ints_tの宣言はApp
    struct Ints_t : std::vector<int> {  // エイリアスではなく、継承を使う
        using vector::vector;           // 継承コンストラクタ
    };

    // App内
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Ints_t const& ints)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : ints) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace App

上記のコードでは、

としているため、エイリアスで宣言されたInts_tと等価である。 C++03では、継承コンストラクタが使えなかったため、 上記のような構造体を定義するためには、 std::vectorのすべてのコンストラクタと等価なコンストラクタをApp::Ints_t内に定義することが必要で、 実践的にはこのようなアイデアは使い物にならなかったが、 C++11での改善により、実践的なアイデアとして使用できるようになった。

実際、名前空間の問題もなく、すでに示した単体テストもパスするので有力な候補となるが、 若干の「やりすぎ感」は否めない。

operator<<を使わない

色々なアイデアを試してみたが、これまでの議論ではこれといった解決方法を発見できなかった。 「バーニーの祈り」 が言っている通り、時にはどうにもならないことを受け入れることも重要である。 LOGGERの中でname lookupできる、エイリアスApp::Ints_tのoperator<<の開発をあきらめ、 ここでは一旦、下記のような受け入れがたいコードを受け入れることにする。

    //  example/template/app_ints.h 6

    namespace App {
    using Ints_t = std::vector<int>;
    }
    //  example/template/logger_0_no_put_to_ut.cpp 10

    namespace App {  // App::Ints_tのoperator<<とToStringをApp内で定義
    namespace {      // operator<<は外部から使わない
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Ints_t const& ints)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : ints) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace

    // Ints_tオブジェクトをstd::stringに変換する
    // この変換によりロガーに渡すことができる
    std::string ToString(Ints_t const& inst)
    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        oss << inst;

        return oss.str();
    }
    }  // namespace App

当然だが、恥を忍んで受け入れたコードにも単体テストは必要である。

    //  example/template/logger_0_no_put_to_ut.cpp 44

    auto ints = App::Ints_t{1, 2, 3};

    // ToStringのテスト
    ASSERT_EQ("1, 2, 3", App::ToString(ints));

    // LOGGERのテスト
    LOGGER("Ints", App::ToString(ints));
    auto line_num = __LINE__;

    auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

    auto exp = std::string{log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":Ints:1, 2, 3\n")};
    ASSERT_EQ(exp, s);

上記コードから明らかな通り、App::Ints_tのインスタンスをログ登録する場合、 App::ToString()によりstd::stringへ変換する必要があり、残念なインターフェースとなっている。

Ints_tのログ登録のまとめ

製品開発では、満足できる仕様の関数やクラスが作れず、妥協せざるを得ないことはよくあることである。 このような場合、将来、良いアイデアが見つかった時に備えて、 妥協コードを簡単に修正できるようなレベルにした後、捲土重来を期してさっさと退却するのがベストである。 ただし、漫然と過ごしても良いアイデアは浮かばない。 時間を作り、関連書籍やウェブドキュメント等を読み、学習を継続する必要があることは言うまでもない。

Nstdライブラリの開発

operator<<を使わない」で導入したコードは、短いながらも汎用性が高い。 このようなコードをローカルなファイルに閉じ込めてしまうと、 コードクローンや、車輪の再発明による開発効率の低下につながることがある。

通常、プロジェクトの全ファイルから参照可能で且つ、 プロジェクトの他のパッケージに非依存なパッケージを用意することで、このような問題を回避できる。

ここでは、そのようなパッケージをNstd(not standard library)とし、名前空間も同様に宣言する。 そうした場合、この章の例題で使用している名前空間の依存関係は下記のようになる。

このように整理された依存関係は、 「パッケージとその構成ファイル」でも述べた通り、 大規模ソフトウェア開発においては特に重要であり、決して循環しないように維持しなければならない。

Nstdライブラリを使用したリファクタリング

すでに述べた通り、「operator<<を使わない」で導入したコードは、Nstdで定義するべきである。 その場合、下記のようにさらに一般化するのが良いだろう。

    //  example/template/nstd_0.h 4

    namespace Nstd {

    template <typename T>
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, std::vector<T> const& vec)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : vec) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }

    template <typename T>
    std::string ToString(std::vector<T> const& vec)
    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        oss << vec;

        return oss.str();
    }
    }  // namespace Nstd

その単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/nstd_0_ut.cpp 13

    auto const ints = App::Ints_t{1, 2, 3};

    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        using namespace Nstd;
        oss << ints << 4;
        ASSERT_EQ("1, 2, 34", oss.str());
    }
    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        Nstd::operator<<(oss, ints) << 4;  // 念のためこの形式でもテスト
        ASSERT_EQ("1, 2, 34", oss.str());
    }

    ASSERT_EQ("1, 2, 3", Nstd::ToString(ints));

勘のいい読者なら、このコードをLOGGERから利用することで、 App:Ints_tのログ登録問題を解消できると思うかもしれない。 実際その通りなのであるが、そうした場合、 std::list等の他のコンテナや配列には対応できないという問題が残るため、 以降もしばらくNstdの開発を続ける。

安全なvector

std::vector、std::basic_string、std::array等の配列型コンテナは、

という仕様になっているが、 ここではoperator[]にも範囲のチェックを行う配列型コンテナが必要になった場合について考える。

手始めにoperator[]にも範囲のチェックを行うstd::vector相当のコンテナSafeVectorを作ると、 下記のコードのようになる。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 10

namespace Nstd {

template <typename T>
struct SafeVector : std::vector<T> {
    using std::vector<T>::vector;  // 継承コンストラクタ

    using base_type = std::vector<T>;
    using size_type = typename base_type::size_type;

    typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
    typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }
};
}  // namespace Nstd

このコードで行ったことは、

である。単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 30

    {
        auto v = Nstd::SafeVector<int>(10);  // ()での初期化

        ASSERT_EQ(10, v.size());
    }
    {
        auto const v = Nstd::SafeVector<int>{10};

        ASSERT_EQ(1, v.size());
        ASSERT_EQ(10, v[0]);
        ASSERT_THROW(v[1], std::out_of_range);  // エクセプションの発生
    }
    {
        auto v = Nstd::SafeVector<std::string>{"1", "2", "3"};

        ASSERT_EQ(3, v.size());
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"1", "2", "3"}), v);
        ASSERT_THROW(v[3], std::out_of_range);  // エクセプションの発生
    }
    {
        auto const v = Nstd::SafeVector<std::string>{"1", "2", "3"};

        ASSERT_EQ(3, v.size());
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"1", "2", "3"}), v);
        ASSERT_THROW(v[3], std::out_of_range);  // エクセプションの発生
    }

演習-std::arrayの継承

安全な配列型コンテナ

配列型コンテナはすでに述べたようにstd::vectorの他にすくなともstd::basic_string、 std::arrayがあるため、それらにも範囲チェックを導入する。

std::basic_stringはstd::vectorとほぼ同様に下記のようになる。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 62
    namespace Nstd {

    struct SafeString : std::string {
        using std::string::string;  // 継承コンストラクタ

        using base_type = std::string;
        using size_type = typename base_type::size_type;

        typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
        typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }
    };
    }  // namespace Nstd

std::stringはstd::basic_string<char>のエイリアスであるため、 上記では、通常使われる形式であるstd::stringを継承したSafeStringを定義した。

この単体テストはSafeVectorの場合と同様に下記のようになる。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 80

    {
        auto s = Nstd::SafeString{"0123456789"};

        ASSERT_EQ(10, s.size());
        ASSERT_EQ("0123456789", s);
        ASSERT_THROW(s[10], std::out_of_range);
    }
    {
        auto const s = Nstd::SafeString(3, 'c');  // ()での初期化が必要

        ASSERT_EQ(3, s.size());
        ASSERT_EQ("ccc", s);
    }

std::arrayでは少々事情が異なるが、 std::vectorのコードパターンをそのまま適用すると下記のようになる。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 101

    namespace Nstd {

    template <typename T, size_t N>
    struct SafeArray : std::array<T, N> {
        using std::array<T, N>::array;  // 継承コンストラクタ

        using base_type = std::array<T, N>;
        using size_type = typename base_type::size_type;

        typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
        typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }
    };
    }  // namespace Nstd

ただし、この実装には問題がある。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 122

    auto sa_not_init = Nstd::SafeArray<int, 3>{};

    ASSERT_EQ(3, sa_not_init.size());
    ASSERT_THROW(sa_not_init[3], std::out_of_range);

上記コードでは、その問題が露見することはないが、以下のコードはコンパイルできない。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 132

    // std::initializer_listを引数とするコンストラクタが未定義
    auto sa_init = Nstd::SafeArray<int, 3>{1, 2, 3};

    // デフォルトコンストラクタがないため、未初期化
    Nstd::SafeArray<int, 3> const sa_const;

std::arrayにはコンストラクタが明示的に定義されていないため、 std::arrayにはデフォルトで自動生成される

以外のコンストラクタがないことが原因である。 従って、SafeArray(std::initializer_list)が定義されず前述したようにコンパイルエラーとなる。

この問題に対処したのが以下のコードである。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 146

    namespace Nstd {

    template <typename T, size_t N>
    struct SafeArray : std::array<T, N> {
        using std::array<T, N>::array;  // 継承コンストラクタ
        using base_type = std::array<T, N>;

        template <typename... ARGS>  // コンストラクタを定義
        SafeArray(ARGS... args) : base_type{args...}
        {
        }

        using size_type = typename base_type::size_type;

        typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
        typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }
    };
    }  // namespace Nstd

上記コードで注目すべきは、パラメータパックをテンプレートパラメータとしたコンストラクタである。 これにより、前例ではコンパイルすらできなかった下記のような初期化子リストを用いた単体テストが、 このコンストラクタによりパスするようになった。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 181
    {
        auto sa_init = Nstd::SafeArray<int, 3>{1, 2, 3};

        ASSERT_EQ(3, sa_init.size());
        ASSERT_EQ(1, sa_init[0]);
        ASSERT_EQ(2, sa_init[1]);
        ASSERT_EQ(3, sa_init[2]);
        ASSERT_THROW(sa_init[3], std::out_of_range);
    }
    {
        auto const sa_string_const = Nstd::SafeArray<std::string, 5>{"1", "2", "3"};

        ASSERT_EQ(5, sa_string_const.size());
        ASSERT_EQ("1", sa_string_const[0]);
        ASSERT_EQ("2", sa_string_const[1]);
        ASSERT_EQ("3", sa_string_const[2]);
        ASSERT_EQ("", sa_string_const[3]);
        ASSERT_EQ("", sa_string_const[4]);
        ASSERT_THROW(sa_string_const[5], std::out_of_range);
    }

この効果を生み出した上記を抜粋した下記のコードには解説が必要だろう。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 155

    template <typename... ARGS>  // コンストラクタを定義
    SafeArray(ARGS... args) : base_type{args...}
    {
    }

一般にコンストラクタには「メンバ変数の初期化」と「基底クラスの初期化」が求められるが、 SafeArrayにはメンバ変数が存在しないため、 このコンストラクタの役割は「基底クラスの初期化」のみとなる。 基底クラスstd::array(上記例ではbase_typeにエイリアスしている) には名前が非規定の配列メンバのみを持つため、 これを初期化するためには初期化子リスト (「初期化子リストコンストラクタ」、 「一様初期化」参照)を用いるのが良い。

ということは、SafeArrayの初期化子リストコンストラクタには、 「基底クラスstd::arrayに初期子リストを与えて初期化する」形式が必要になる。 値を持つパラメータパックは初期化子リストに展開できるため、 ここで必要な形式はパラメータパックとなる。 これを実現したのが上記に抜粋したわずか数行のコードである。

初期化子リストの副作用

上記SafeArrayの初期化子リストコンストラクタは以下のようなコードを許可しない。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 213
    {
        auto sa_init = Nstd::SafeArray<int, 3>{1.0, 2, 3};

        ASSERT_EQ(3, sa_init.size());
        ASSERT_EQ(1, sa_init[0]);
        ASSERT_EQ(2, sa_init[1]);
        ASSERT_EQ(3, sa_init[2]);
        ASSERT_THROW(sa_init[3], std::out_of_range);
    }

このコードをコンパイルすると、

    safe_vector_ut.cpp:147:41: error: narrowing conversion of ‘
                                        args#0’ from ‘double’ to ‘int’ -Werror=narrowing]
      147 |     SafeArray(ARGS... args) : base_type{args...}
          |                                         ^~~~

のようなエラーが出力されるが、

が原因である。これは意図しない縮小変換によるバグを防ぐ良い機能だと思うが、 ここではテンプレートメタプログラミングのテクニックを解説するため、 あえてこのコンパイルエラーを起こさないSafeArray2を開発する (言うまでもないが、通常のソフトウェア開発では、 縮小変換によるコンパイルエラーを回避するようなコードを書いてはならない)。

SafeArray2のコードは、

等のメタ関数系のテクニックが必要になるため、 まずはこれらを含めたテンプレートのテクニックについて解説し、 その後SafeArray2を見ていくことにする。

メタ関数のテクニック

本章で扱うメタ関数とは、型、定数、クラステンプレート等からなるテンプレート引数から、 型、エイリアス、定数等を宣言、定義するようなクラステンプレート、関数テンプレート、 定数テンプレート、エイリアステンプレートを指す (本章ではこれらをまとめて単にテンプレート呼ぶことがある)。

演習-エイリアステンプレート

STLのtype_traits

メタ関数ライブラリの代表的実装例はSTLの type_traitsである。

ここでは、よく使ういくつかのtype_traitsテンプレートの使用例や解説を示す。

std::true_type/std::false_type

std::true_type/std::false_typeは真/偽を返すSTLメタ関数群の戻り型となる型エイリアスであるため、 最も使われるテンプレートの一つである。

これらは、下記で確かめられる通り、後述するstd::integral_constantを使い定義されている。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 13

    // std::is_same_vの2パラメータが同一であれば、std::is_same_v<> == true
    static_assert(std::is_same_v<std::integral_constant<bool, true>, std::true_type>);
    static_assert(std::is_same_v<std::integral_constant<bool, false>, std::false_type>);

それぞれの型が持つvalue定数は、下記のように定義されている。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 20

    static_assert(std::true_type::value, "must be true");
    static_assert(!std::false_type::value, "must be false");

これらが何の役に立つのか直ちに理解することは難しいが、 true/falseのメタ関数版と考えれば、追々理解できるだろう。

以下に簡単な使用例を示す。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 29

    // 引数の型がintに変換できるかどうかを判定する関数
    // decltypeの中でのみ使用されるため、定義は不要
    constexpr std::true_type  IsCovertibleToInt(int);  // intに変換できる型はこちら
    constexpr std::false_type IsCovertibleToInt(...);  // それ以外はこちら

上記の単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 40

    static_assert(decltype(IsCovertibleToInt(1))::value);
    static_assert(decltype(IsCovertibleToInt(1u))::value);
    static_assert(!decltype(IsCovertibleToInt(""))::value);  // ポインタはintに変換不可

    struct ConvertibleToInt {
        operator int();
    };

    struct NotConvertibleToInt {};

    static_assert(decltype(IsCovertibleToInt(ConvertibleToInt{}))::value);
    static_assert(!decltype(IsCovertibleToInt(NotConvertibleToInt{}))::value);

    // なお、IsCovertibleToInt()やConvertibleToInt::operator int()は実際に呼び出されるわけでは
    // ないため、定義は必要なく宣言のみがあれば良い。

IsCovertibleToIntの呼び出しをdecltypeのオペランドにすることで、 std::true_typeかstd::false_typeを受け取ることができる。

std::integral_constant

std::integral_constantは 「テンプレートパラメータとして与えられた型とその定数から新たな型を定義する」 クラステンプレートである。

以下に簡単な使用例を示す。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 62

    using int3 = std::integral_constant<int, 3>;

    // std::is_same_vの2パラメータが同一であれば、std::is_same_v<> == true
    static_assert(std::is_same_v<int, int3::value_type>);
    static_assert(std::is_same_v<std::integral_constant<int, 3>, int3::type>);
    static_assert(int3::value == 3);

    using bool_true = std::integral_constant<bool, true>;

    static_assert(std::is_same_v<bool, bool_true::value_type>);
    static_assert(std::is_same_v<std::integral_constant<bool, true>, bool_true::type>);
    static_assert(bool_true::value == true);

また、すでに示したようにstd::true_type/std::false_typeを実装するためのクラステンプレートでもある。

std::is_same

すでに上記の例でも使用したが、std::is_sameは2つのテンプレートパラメータが

から派生した型となる。

以下に簡単な使用例を示す。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 99

    static_assert(std::is_same<int, int>::value);
    static_assert(std::is_same<int, int32_t>::value);   // 64ビットg++/clang++
    static_assert(!std::is_same<int, int64_t>::value);  // 64ビットg++/clang++
    static_assert(std::is_same<std::string, std::basic_string<char>>::value);
    static_assert(std::is_same<typename std::vector<int>::reference, int&>::value);

また、 C++17で導入されたstd::is_same_vは、定数テンプレートを使用し、 下記のように定義されている。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 90

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_v{std::is_same<T, U>::value};
    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 108

    static_assert(is_same_v<int, int>);
    static_assert(is_same_v<int, int32_t>);   // 64ビットg++/clang++
    static_assert(!is_same_v<int, int64_t>);  // 64ビットg++/clang++
    static_assert(is_same_v<std::string, std::basic_string<char>>);
    static_assert(is_same_v<typename std::vector<int>::reference, int&>);

このような簡潔な記述の一般形式は、

   T::value  -> T_v
   T::type   -> T_t

のように定義されている(このドキュメントのほとんど場所では、簡潔な形式を用いる)。

第1テンプレートパラメータが第2テンプレートパラメータの基底クラスかどうかを判断する std::is_base_ofを使うことで下記のようにstd::is_sameの基底クラス確認することもできる。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 117

    static_assert(std::is_base_of_v<std::true_type, std::is_same<int, int>>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, std::is_same<int, char>>);

std::enable_if

std::enable_ifは、bool値である第1テンプレートパラメータが

下記のコードはクラステンプレートの特殊化を用いたstd::enable_ifの実装例である。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 124

    template <bool T_F, typename T = void>
    struct enable_if;

    template <typename T>
    struct enable_if<true, T> {
        using type = T;
    };

    template <typename T>
    struct enable_if<false, T> {  // メンバエイリアスtypeを持たない
    };

    template <bool COND, typename T = void>
    using enable_if_t = typename enable_if<COND, T>::type;

std::enable_ifの使用例を下記に示す。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 148

    static_assert(std::is_same_v<void, std::enable_if_t<true>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, std::enable_if_t<true, int>>);

実装例から明らかなように

となるため、下記のコードはコンパイルできない。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 155

    // 下記はill-formedとなるため、コンパイルできない。
    static_assert(std::is_same_v<void, std::enable_if_t<false>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, std::enable_if_t<false, int>>);

std::enable_ifのこの特性と後述するSFINAEにより、 様々な静的ディスパッチを行うことができる。

std::conditional

std::conditionalは、bool値である第1テンプレートパラメータが

をメンバ型typeとして宣言する。

下記のコードはクラステンプレートの特殊化を用いたstd::conditionalの実装例である。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 164

    template <bool T_F, typename, typename>
    struct conditional;

    template <typename T, typename U>
    struct conditional<true, T, U> {
        using type = T;
    };

    template <typename T, typename U>
    struct conditional<false, T, U> {
        using type = U;
    };

    template <bool COND, typename T, typename U>
    using conditional_t = typename conditional<COND, T, U>::type;

std::conditionalの使用例を下記に示す。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 189

    static_assert(std::is_same_v<int, std::conditional_t<true, int, char>>);
    static_assert(std::is_same_v<char, std::conditional_t<false, int, char>>);

std::is_void

std::is_voidはテンプレートパラメータの型が

から派生した型となる。

以下に簡単な使用例を示す。

    //  example/template_cpp17/type_traits_ut.cpp 82

    static_assert(std::is_void<void>::value);
    static_assert(!std::is_void<int>::value);
    static_assert(!std::is_void<std::string>::value);

is_void_xxxの実装

ここではstd::is_voidに似た以下のような仕様を持ついくつかのテンプレートis_void_xxxの実装を考える。

テンプレートパラメータ 戻り値
void true
非void false

それぞれのis_void_xxxは下記テーブルで示した言語機能を使用して実装する。

is_void_xxx 実装方法
is_void_f 関数テンプレートの特殊化
is_void_s クラステンプレートの特殊化
is_void_sfinae_f FINAEと関数テンプレートのオーバーロード
is_void_sfinae_s FINAEとクラステンプレートの特殊化
is_void_concept_s コンセプトとクラステンプレートの特殊化
is_void_ena_s std::enable_ifによるSFINAEとクラステンプレートの特殊化
is_void_cond_s std::conditionalと関数テンプレートの特殊化

なお、実装例をシンプルに保つため、 理解の妨げとなり得る下記のような正確性(例外条件の対応)等のためのコードを最低限に留めた。

これは、「テンプレートプログラミングでの有用なテクニックの解説」 というここでの目的を見失わないための措置である。

is_void_f

関数テンプレートの特殊化を使用したis_void_fの実装は以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 8

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_f() noexcept
    {
        return false;
    }

    template <>
    constexpr bool is_void_f<void>() noexcept
    {
        return true;
    }

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_f_v{is_void_f<T>()};

単純なので解説は不要だろう。これらの単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 28

    static_assert(!is_void_f_v<int>);
    static_assert(!is_void_f_v<std::string>);
    static_assert(is_void_f_v<void>);

関数テンプレートの特殊化には、

のような制限があるため用途は限られるが、関数テンプレートはオーバーロードすることが可能である。

演習-SFINAEを利用しない関数テンプレートの特殊化によるis_void

is_void_s

クラステンプレートの特殊化を使用したis_void_sの実装は以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 36

    template <typename T>
    struct is_void_s {
        static constexpr bool value{false};
    };

    template <>
    struct is_void_s<void> {
        static constexpr bool value{true};
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_s_v{is_void_s<T>::value};

is_void_fと同様に単純なので解説は不要だろう。これらの単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 54

    static_assert(!is_void_s_v<int>);
    static_assert(!is_void_s_v<std::string>);
    static_assert(is_void_s_v<void>);

演習-SFINAEを利用しないクラステンプレートの特殊化によるis_void

is_void_sfinae_f

SFINAEを使用した関数テンプレートis_void_sfinae_fの実装は以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 62

    namespace Inner_ {

    // T == void
    template <typename T>
    constexpr auto is_void_sfinae_f_detector(void const* v, T const* t) noexcept
        -> decltype(t = v, bool{})  // T != voidの場合、t = vはill-formed
                                    // T == voidの場合、well-formedでbool型生成
    {
        return true;
    }

    // T != void
    template <typename T>
    constexpr auto is_void_sfinae_f_detector(void const*, T const*) noexcept
        -> decltype(sizeof(T), bool{})  // T != voidの場合、well-formedでbool型生成
                                        // T == voidの場合、sizeof(T)はill-formed
    {
        return false;
    }
    }  // namespace Inner_

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_f() noexcept
    {
        return Inner_::is_void_sfinae_f_detector(nullptr, static_cast<T*>(nullptr));
    }

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_f_v{is_void_sfinae_f<T>()};

関数テンプレートである2つのis_void_sfinae_f_detectorのオーバーロードにSFINAEを使用している。

1つ目のis_void_sfinae_f_detectorでは、

T t = v の診断(コンパイル)
== void well-formed
!= void ill-formed

であるため、Tがvoidの時のみname lookupの対象になる。

2つ目のis_void_sfinae_f_detectorでは、

T sizeof(T)の診断(コンパイル)
== void ill-formed
!= void well-formed

であるため、Tが非voidの時のみname lookupの対象になる。

is_void_sfinae_fはこの性質を利用し、

となる。念のため単体テストを示すと下記のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 97

    static_assert(!is_void_sfinae_f_v<int>);
    static_assert(!is_void_sfinae_f_v<std::string>);
    static_assert(is_void_sfinae_f_v<void>);

一般にファイル外部に公開するテンプレートは、 コンパイルの都合上ヘッダファイルにその全実装を記述することになる。 これは、本来外部公開すべきでない実装の詳細である is_void_sfinae_f_detectorのようなテンプレートに関しては大変都合が悪い。 というのは、外部から使用されたくない実装の詳細が使われてしまうことがあり得るからである。 上記の例では、こういうことに備え 「これは外部非公開である」ということを示す名前空間Inner_ (「名前空間」参照) を導入した。

関数テンプレートはクラステンプレート内にも定義することができるため、 is_void_sfinae_fは下記のように実装することも可能である。この場合、名前空間Inner_は不要になる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 106

    template <typename T>
    class is_void_sfinae_f {
        // U == void
        template <typename U>
        static constexpr auto detector(void const* v, U const* u) noexcept
            -> decltype(u = v, bool{})  // U != voidの場合、t = vはill-formed
                                        // U == voidの場合、well-formedでbool型生成
        {
            return true;
        }

        // U != void
        template <typename U>
        static constexpr auto detector(void const*, U const*) noexcept
            -> decltype(sizeof(U), bool{})  // U != voidの場合、well-formedでbool型生成
                                            // U == voidの場合、ill-formed
        {
            return false;
        }

    public:
        static constexpr bool value{is_void_sfinae_f::detector(nullptr, static_cast<T*>(nullptr))};
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_f_v{is_void_sfinae_f<T>::value};
    //  example/template/is_void_ut.cpp 138

    static_assert(!is_void_sfinae_f_v<int>);
    static_assert(!is_void_sfinae_f_v<std::string>);
    static_assert(is_void_sfinae_f_v<void>);

演習-SFINAEを利用した関数テンプレートの特殊化によるis_void

is_void_sfinae_s

SFINAEを使用したクラステンプレートis_void_sfinae_sの実装は以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 147

    namespace Inner_ {
    template <typename T>
    T*& t2ptr();  // 定義は不要
    }  // namespace Inner_

    template <typename T, typename = void*&>
    struct is_void_sfinae_s : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct is_void_sfinae_s<
        T,
        // T != voidの場合、ill-formed
        // T == voidの場合、well-formedでvoid*&生成
        decltype(Inner_::t2ptr<T>() = Inner_::t2ptr<void>())

        > : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_s_v{is_void_sfinae_s<T>::value};

1つ目のis_void_sfinae_sはプライマリテンプレートである。 is_void_sfinae_sの特殊化がname lookupの対象の中に見つからなかった場合、 これが使われる。

2つ目のis_void_sfinae_sは、上記を抜粋した下記のコード

    //  example/template/is_void_ut.cpp 163

    // T != voidの場合、ill-formed
    // T == voidの場合、well-formedでvoid*&生成
    decltype(Inner_::t2ptr<T>() = Inner_::t2ptr<void>())

がT == voidの時のみ、well-formedになり、このテンプレートは下記のようにインスタンス化される。

    struct is_void_sfinae_s<void, void*&>

この形状はプライマリテンプレートの

とした場合の、つまりプライマリテンプレートを

    struct is_void_sfinae_s<void>   // プライマリテンプレート

としてインスタンス化した場合と一致する。 プライマリと特殊化が一致した場合、特殊化されたものがname lookupで選択される。

T != voidの場合、 2つ目のis_void_sfinae_sはill-formedになり、name lookupの対象から外れるため、 プライマリが選択される。

以上をまとめると、

T is_void_sfinae_sの基底クラス
== void std::true_type
!= void std::false_type

となる。以下の単体テストによって、このことを確かめることができる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 180

    static_assert(!is_void_sfinae_s_v<int>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_sfinae_s<int>>);

    static_assert(!is_void_sfinae_s_v<std::string>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_sfinae_s<std::string>>);

    static_assert(is_void_sfinae_s_v<void>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::true_type, is_void_sfinae_s<void>>);

上記コードのように「プライマリテンプレートのデフォルトパラメータ」と、

    //  example/template/is_void_ut.cpp 163

    // T != voidの場合、ill-formed
    // T == voidの場合、well-formedでvoid*&生成
    decltype(Inner_::t2ptr<T>() = Inner_::t2ptr<void>())

が「well-formedであった場合に生成される型」が一致することを利用した静的ディスパッチは、 SFINAEとクラステンプレートの特殊化を組み合わせたメタ関数の典型的な実装パターンである。 ただし、一般にはill-formedを起こすためにst::enable_ifを使うことが多いため、 「is_void_ena_sの実装」でその例を示す。

演習-SFINAEを利用したクラステンプレートの特殊化によるis_void

is_void_concept_s

is_void_sfinae_sの実装で使用したSFINAEを回避し、 コンセプトを使用することで可読性の向上が見込める。 以下の実装で使用したsame_asは<concepts>で定義されているコンセプトと同様のものである。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 193

    template <typename T>
    struct is_void_concept_s : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    requires std::same_as<T, void>  // コンセプトによるTの制約
    struct is_void_concept_s<T> : std::true_type {
    };
    //  example/template/is_void_ut.cpp 207

    static_assert(!is_void_concept_s<int>::value);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_concept_s<int>>);

    static_assert(!is_void_concept_s<std::string>::value);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_concept_s<std::string>>);

    static_assert(is_void_concept_s<void>::value);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::true_type, is_void_concept_s<void>>);

下記に示した通り、テンプレート特殊化はクラスのみなく定数に対しても使用することができる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 220

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_concept_s_v = false;

    template <typename T>
    requires std::same_as<T, void>
    constexpr bool is_void_concept_s_v<T> = true;

以下に示した通り、is_void_sfinae_sの実装で示した定数テンプレートのテストと同様になっている。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 232

    static_assert(!is_void_concept_s_v<int>);
    static_assert(!is_void_concept_s_v<std::string>);
    static_assert(is_void_concept_s_v<void>);

is_void_ena_s

std::enable_ifによるSFINAEとクラステンプレートの特殊化を使用した is_void_ena_sの実装は以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 240
    template <typename T, typename = void>
    struct is_void_ena_s : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct is_void_ena_s<
        T,
        typename std::enable_if_t<is_void_f<T>()>
        > : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_ena_s_v{is_void_ena_s<T>::value};

この例では、「is_void_sfinae_sの実装」の

    //  example/template/is_void_ut.cpp 163

    // T != voidの場合、ill-formed
    // T == voidの場合、well-formedでvoid*&生成
    decltype(Inner_::t2ptr<T>() = Inner_::t2ptr<void>())

で示したSFINAEの処理を上記を抜粋した下記のコード

    //  example/template/is_void_ut.cpp 250

    typename std::enable_if_t<is_void_f<T>()>

で行っている。 std::enable_ifの値パラメータis_void_f<T>()は、「is_void_fの実装」で示したものである。

単体テストは、「is_void_sfinae_sの実装」で示したものとほぼ同様で、以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 264

    static_assert(!is_void_ena_s_v<int>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_ena_s<int>>);

    static_assert(!is_void_ena_s_v<std::string>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_ena_s<std::string>>);

    static_assert(is_void_ena_s_v<void>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::true_type, is_void_ena_s<void>>);

is_void_cond_s

std::conditionalと関数テンプレートの特殊化を使用したis_void_cond_sの実装は以下のようになる。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 277
    template <typename T>
    struct is_void_cond_s : std::conditional_t<is_void_f<T>(), std::true_type, std::false_type> {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_cond_s_v{is_void_cond_s<T>::value};

std::conditionalの値パラメータis_void_f<T>()は、「is_void_fの実装」で示したものである。 この例では、SFINAEもクラステンプレートの特殊化も使用していないが、 下記単体テストからわかる通り、「is_void_sfinae_sの実装」と同じ機能を備えている。

    //  example/template/is_void_ut.cpp 288

    static_assert(!is_void_cond_s_v<int>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_cond_s<int>>);

    static_assert(!is_void_cond_s_v<std::string>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::false_type, is_void_cond_s<std::string>>);

    static_assert(is_void_cond_s_v<void>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::true_type, is_void_cond_s<void>>);

is_same_xxxの実装

ここではstd::is_same<T, U>に似た、 以下のような仕様を持ついくつかのテンプレートis_same_xxxの実装を考える。

テンプレートパラメータ 戻り値
T == U true
T != U false

それぞれのis_same_xxxは下記テーブルで示された言語機能を使用して実装する。

is_same_xxx 実装方法
is_same_f 関数テンプレートのオーバーロード
is_same_v 定数テンプレートの特殊化
is_same_s クラステンプレートの特殊化
is_same_sfinae_f SFINAEと関数テンプレート/関数のオーバーロード
is_same_sfinae_s SFINAEとクラステンプレートの特殊化
same_as コンセプトよるis_same_sfinae_sと同一の機能
is_same_templ テンプレートテンプレートパラメータ
IsSameSomeOf パラメータパックと再帰
OneOf IsSameSomeOfをコンセプトに

is_same_f

関数テンプレートのオーバーロードを用いたis_same_fの実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 9

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_f_helper(T const*, U const*) noexcept
    {
        return false;
    }

    template <typename T>
    constexpr bool is_same_f_helper(T const*, T const*) noexcept
    {
        return true;
    }

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_f() noexcept
    {
        return is_same_f_helper(static_cast<T*>(nullptr), static_cast<U*>(nullptr));
    }

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_f_v{is_same_f<T, U>()};

すでに述べたように関数テンプレートの部分特殊化は言語仕様として認められておらず、

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 34

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_f()
    {
        return true;
    }

    template <typename T>
    constexpr bool is_same_f<T, T>()
    {
        return true;
    }

上記のようなのようなコードは、以下のようなコンパイルエラーになる (g++/clang++のような優れたコンパイラを使えば、 以下のメッセージのように簡単に問題点が理解できることもある)。

    is_same_ut.cpp:35:32: error: non-class, non-variable partial specialization ‘
                                          is_same_f<T, T>’ is not allowed
        35 | constexpr bool is_same_f<T, T>()

関数テンプレートは部分特殊化が出来ない代わりに、 同じ識別子を持つ関数や関数テンプレートとのオーバーロードができる。関数とのオーバーロードの場合、 is_same_f_helper<T>()のようなテンプレートパラメータを直接使用した静的ディスパッチが出来ないため、 常に型推測によるディスパッチが必要になる。

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 52

    static_assert(!is_same_f_v<int, void>);
    static_assert(is_same_f_v<int, int>);
    static_assert(!is_same_f_v<int, uint32_t>);
    static_assert(is_same_f_v<std::string, std::basic_string<char>>);

is_same_v

定数テンプレートの特殊化を用いたis_same_vの実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 61

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_v{false};

    template <typename T>
    constexpr bool is_same_v<T, T>{true};

単純であるため、解説は不要だろう。 単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 72

    static_assert(!is_same_v<int, void>);
    static_assert(is_same_v<int, int>);
    static_assert(!is_same_v<int, uint32_t>);
    static_assert(is_same_v<std::string, std::basic_string<char>>);

is_same_s

クラステンプレートの特殊化を用いたis_same_sの実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 81

    template <class T, class U>
    struct is_same_s : std::false_type {
    };

    template <class T>
    struct is_same_s<T, T> : std::true_type {
    };

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_s_v{is_same_s<T, U>::value};

is_same_vの実装」と同様に単純であるため、解説は不要だろう。 単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 97

    static_assert(!is_same_s_v<int, void>);
    static_assert(is_same_s_v<int, int>);
    static_assert(!is_same_s_v<int, uint32_t>);
    static_assert(is_same_s_v<std::string, std::basic_string<char>>);

is_same_sfinae_f

SFINAEと関数テンプレート/関数のオーバーロードを用いたis_same_sfinae_f実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 106

    namespace Inner_ {
    template <typename T, typename U>
    constexpr auto is_same_sfinae_f_detector(T const* t, U const* u) noexcept
        -> decltype(t = u, u = t, bool{})  // T != Uの場合、t = u, u = tはill-formed
                                           // T == Uの場合、well-formedでbool型生成
    {
        return true;
    }

    constexpr bool is_same_sfinae_f_detector(...) noexcept { return false; }
    }  // namespace Inner_

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_sfinae_f() noexcept
    {
        return Inner_::is_same_sfinae_f_detector(static_cast<T*>(nullptr), static_cast<U*>(nullptr));
    }

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_sfinae_f_v{is_same_sfinae_f<T, U>()};

上記の抜粋である下記コードのコメントで示したように、

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 112

    -> decltype(t = u, u = t, bool{})  // T != Uの場合、t = u, u = tはill-formed
                                       // T == Uの場合、well-formedでbool型生成

T != Uの場合、この関数テンプレートはill-formedとなりname lookupの対象ではなくなる。 その結果、関数is_same_sfinae_f_detectorが選択される。 省略記号”…“(ellipsis)を引数とする関数は、そのオーバーロード群の中での最後の選択となるため、 T == Uの場合は、関数テンプレートis_same_sfinae_f_detectorが選択される。

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 136

    static_assert(!is_same_sfinae_f_v<int, void>);
    static_assert(is_same_sfinae_f_v<int, int>);
    static_assert(!is_same_sfinae_f_v<int, uint32_t>);
    static_assert(is_same_sfinae_f_v<std::string, std::basic_string<char>>);

is_same_sfinae_s

SFINAEとクラステンプレートの特殊化を用いたis_same_sfinae_sの実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 144

    namespace Inner_ {
    template <typename T>
    T*& t2ptr();
    }

    template <typename T, typename U, typename = T*&>
    struct is_same_sfinae_s : std::false_type {
    };

    template <typename T, typename U>
    struct is_same_sfinae_s<
        T, U,

        // T != Uの場合、ill-formed
        // T == Uの場合、well-formedでT*&生成
        decltype(Inner_::t2ptr<T>() = Inner_::t2ptr<U>(), Inner_::t2ptr<U>() = Inner_::t2ptr<T>())
        > : std::true_type {
    };

    template <typename T, typename U>
    constexpr bool is_same_sfinae_s_v{is_same_sfinae_s<T, U>::value};

is_void_sfinae_sの実装」とほぼ同様であるため、解説は不要だろう。 単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 172

    static_assert(!is_same_sfinae_s_v<int, void>);
    static_assert(is_same_sfinae_s_v<int, int>);
    static_assert(!is_same_sfinae_s_v<int, uint32_t>);
    static_assert(is_same_sfinae_s_v<std::string, std::basic_string<char>>);

same_as

SFINAEによるis_same_sfinae_sの難解なコードをコンセプト よりリファクタリングしたコードを以下に示す。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 181

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    template <typename T, typename U>
    concept same_as = requires(T const* t, U const* u)
    {
        {t = u, u = t};
    };

    #else  // c++17
    template <typename T, typename U>
    inline constexpr bool same_as = is_same_sfinae_s_v<T, U>;

    #endif

is_same_sfinae_sは定数テンプレートであり、same_asはコンセプトであるが、 下記のテストから明らかな通り、ほぼ同様に同様に使用することができる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 196

    static_assert(!same_as<int, void>);
    static_assert(same_as<int, int>);
    static_assert(!same_as<int, uint32_t>);
    static_assert(same_as<std::string, std::basic_string<char>>);

is_same_s」で紹介した特殊化のテクニックを下記のように使用することができる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 203

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    template <typename T, typename U>
    struct is_same_concept_s : std::false_type {
    };

    template <typename T, typename U>
    requires same_as<T, U>
    struct is_same_concept_s<T, U> : std::true_type {
    };

    #else  // c++17
    template <typename T, typename U, typename = void>
    struct is_same_concept_s : std::false_type {
    };

    template <typename T, typename U>
    struct is_same_concept_s<T, U, std::enable_if_t<same_as<T, U>, void>> : std::true_type {
    };

    #endif

    static_assert(!is_same_concept_s<int, void>::value);
    static_assert(is_same_concept_s<int, int>::value);
    static_assert(!is_same_concept_s<int, uint32_t>::value);
    static_assert(is_same_concept_s<std::string, std::basic_string<char>>::value);

is_same_templ

例えば、std::stringとstd::basic_string<T>が同じもしくは違う型であることを確認するためには、 すでに示したis_same_sを使用し、

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 246

    static_assert(is_same_s_v<std::string, std::basic_string<char>>);
    static_assert(!is_same_s_v<std::string, std::basic_string<signed char>>);

のようにすればよいが、 以下に示したコードのようにテンプレートテンプレートパラメータを使うことでも実装できる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 234

    template <typename T, template <class...> class TEMPL, typename... ARGS>
    struct is_same_templ : is_same_sfinae_s<T, TEMPL<ARGS...>> {
    };

    template <typename T, template <class...> class TEMPL, typename... ARGS>
    constexpr bool is_same_templ_v{is_same_templ<T, TEMPL, ARGS...>::value};

上記のis_same_templは、第2引数にクラステンプレート、 第3引数以降にそのクラステンプレートの1個以上の引数を取ることができる。 使用例を兼ねた単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 251

    static_assert(is_same_templ_v<std::string, std::basic_string, char>);
    static_assert(!is_same_templ_v<std::string, std::basic_string, signed char>);

これを応用したエイリアステンプレート

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 258

    template <typename T>
    using gen_std_string = is_same_templ<std::string, std::basic_string, T>;

    template <typename T>
    constexpr bool gen_std_string_v{gen_std_string<T>::value};

は与えられたテンプレートパラメータがstd::stringを生成するかどうかを判定することができる。

    //  example/template_cpp17/is_same_ut.cpp 269

    static_assert(gen_std_string_v<char>);
    static_assert(!gen_std_string_v<signed char>);

演習-テンプレートテンプレートパラメータ

IsSameSomeOf

IsSameSomeOfはこれまでの例とは少々異なり、

のような特徴のを持つ。 このようなIsSameSomeOfの実装はは以下のようになる。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 13

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    struct is_same_as_some_of_impl {  // 型特性の補助クラス: 複数の型と比較する再帰的な実装
        static constexpr bool value
            = std::is_same<T, U>::value || is_same_as_some_of_impl<T, Us...>::value;
    };

    // 再帰の終端条件: 比較する型が1つの場合
    template <typename T, typename U>
    struct is_same_as_some_of_impl<T, U> {
        static constexpr bool value = std::is_same<T, U>::value;
    };
    }  // namespace Inner_

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    // コンセプト: 複数の型のいずれかがTと同じかどうかをチェック
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    concept SameAsSomeOf = (std::same_as<T, U> || (std::same_as<T, Us> || ...));

    #else  // c++17
    // コンセプトが使えない場合、上と同じ機能を持つ変数テンプレート
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    constexpr bool SameAsSomeOf = Inner_::is_same_as_some_of_impl<T, U, Us...>::value;
    #endif

    // 型特性: TがUsのいずれかと同じ場合true_type、そうでない場合false_typeを継承
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    struct IsSameSomeOf : std::bool_constant<SameAsSomeOf<T, U, Us...>> {
    };

    // 便利な定数テンプレート
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    constexpr bool IsSameSomeOfV = IsSameSomeOf<T, U, Us...>::value;
    }  // namespace Nstd

IsSameSomeOfは、TがUsのいずれかと一致するかどうかのほとんどの処理をSameAsSomeOfに移譲する。

Usが1つだった場合、SameAsSomeOfは処理をstd::same_as(「same_as」参照)に委譲する。 Usが複数だった場合、畳み込み式を使用し上記の処理をその数分、繰り返す。

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 14

    static_assert(!Nstd::IsSameSomeOfV<int, int8_t, int16_t, uint16_t>);
    static_assert(Nstd::IsSameSomeOfV<int, int8_t, int16_t, uint16_t, int32_t>);
    static_assert(Nstd::IsSameSomeOfV<int&, int8_t, int16_t, int32_t&, int32_t>);
    static_assert(!Nstd::IsSameSomeOfV<int&, int8_t, int16_t, uint32_t&, int32_t>);
    static_assert(Nstd::IsSameSomeOfV<std::string, int, char*, std::string>);
    static_assert(!Nstd::IsSameSomeOfV<std::string, int, char*>);

演習-テンプレートパラメータを可変長にしたstd::is_same

OneOf

OneOfは、IsSameSomeOf同様の機能を持つコンセプトである。 OneOfの実装にはシンプルに記述するための畳み込み式を使用した。

    //  h/nstd_concepts.h 52

    template <typename T, typename... Us>
    concept OneOf = (std::same_as<T, Us> || ...);

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 29

    static_assert(!Nstd::OneOf<int, int8_t, int16_t, uint16_t>);
    static_assert(Nstd::OneOf<int, int8_t, int16_t, uint16_t, int32_t>);
    static_assert(Nstd::OneOf<int&, int8_t, int16_t, int32_t&, int32_t>);
    static_assert(!Nstd::OneOf<int&, int8_t, int16_t, uint32_t&, int32_t>);
    static_assert(Nstd::OneOf<std::string, int, char*, std::string>);
    static_assert(!Nstd::OneOf<std::string, int, char*>);

AreConvertibleXxxの実装

std::is_convertible<FROM, TO>は、

のような仕様を持つテンプレートである。

ここでは、

の実装を考える。

AreConvertibleXxx 実装方法
AreConvertible クラステンプレートの特殊化
ConvertibleToAll AreConvertibleをコンセプトへ
AreConvertibleWithoutNarrowConv SFINAEとクラステンプレートの特殊化
ConvertibleWithoutNarrowing AreConvertibleWithoutNarrowConvをコンセプトへ

AreConvertible

AreConvertibleの実装は以下のようになる。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 54

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    template <typename TO, typename FROM, typename... FROMs>
    struct are_convertible {
        static constexpr bool value{
            std::is_convertible_v<FROM, TO> && are_convertible<TO, FROMs...>::value};
    };

    template <typename TO, typename FROM>
    struct are_convertible<TO, FROM> {
        static constexpr bool value{std::is_convertible_v<FROM, TO>};
    };

    template <typename TO, typename... FROMs>
    constexpr bool are_convertible_v{are_convertible<TO, FROMs...>::value};
    }  // namespace Inner_

    template <typename TO, typename... FROMs>
    struct AreConvertible
        : std::conditional_t<Inner_::are_convertible_v<TO, FROMs...>, std::true_type, std::false_type> {
    };

    template <typename TO, typename... FROMs>
    constexpr bool AreConvertibleV{AreConvertible<TO, FROMs...>::value};
    }  // namespace Nstd

IsSameSomeOfの実装」のコードパターンとほぼ同様であるため、解説は不要だろうが、

ので注意が必要である。

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 43

    static_assert(Nstd::AreConvertibleV<int, int8_t, int16_t, int>);
    static_assert(Nstd::AreConvertibleV<int, char, int, int>);
    static_assert(!Nstd::AreConvertibleV<int, char*, int, int>);
    static_assert(Nstd::AreConvertibleV<std::string, std::string, char*, char[3]>);
    static_assert(!Nstd::AreConvertibleV<std::string, std::string, char*, int>);

AreConvertibleWithoutNarrowConv

縮小無しの型変換ができるかどうかを判定するAreConvertibleWithoutNarrowConvは、 AreConvertibleと同じように実装できるが、 その場合、AreConvertibleに対してstd::is_convertibleが必要になったように、 AreConvertibleWithoutNarrowConvに対しis_convertible_without_narrow_convが必要になる。

縮小無しでFROMからTOへの型変換ができるかどうかを判定するis_convertible_without_narrow_convは、 SFINAEと関数テンプレート/関数のオーバーライドを使用し以下のように実装できる。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 88

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    template <typename TO, typename FROM>
    class is_convertible_without_narrow_conv {
        template <typename T = TO, typename U = FROM>
        static constexpr auto detector(T* t, U* u) noexcept
            // 縮小無しでFROMからTOへ変換可能な場合、*t = T{*u}はwell-formed
            // 上記ではない場合、*t = T{*u}はill-formed
            -> decltype(*t = T{*u}, bool{})
        {
            return true;
        }

        static constexpr bool detector(...) noexcept { return false; }

    public:
        static constexpr bool value{is_convertible_without_narrow_conv::detector(
            static_cast<TO*>(nullptr), static_cast<FROM*>(nullptr))};
    };

    template <typename TO, typename FROM>
    constexpr bool is_convertible_without_narrow_conv_v{
        is_convertible_without_narrow_conv<TO, FROM>::value};
    }  // namespace Inner_
    }  // namespace Nstd

AreConvertibleWithoutNarrowConvはNstdで定義するため、その内部のみで用いる is_convertible_without_narrow_convはNstd::Inner_で定義している。

上記を抜粋した下記のコードは「縮小型変換を発生さる{}による初期化はill-formedになる」 ことをSFINAEに利用している。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 98

    // 縮小無しでFROMからTOへ変換可能な場合、*t = T{*u}はwell-formed
    // 上記ではない場合、*t = T{*u}はill-formed
    -> decltype(*t = T{*u}, bool{})

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 55

    static_assert(Nstd::Inner_::is_convertible_without_narrow_conv_v<int, int>);
    static_assert(Nstd::Inner_::is_convertible_without_narrow_conv_v<int, int16_t>);
    static_assert(!Nstd::Inner_::is_convertible_without_narrow_conv_v<int16_t, int>);
    static_assert(Nstd::Inner_::is_convertible_without_narrow_conv_v<std::string, char*>);
    static_assert(!Nstd::Inner_::is_convertible_without_narrow_conv_v<char*, std::string>);

is_convertible_without_narrow_convを利用したAreConvertibleWithoutNarrowConv の実装は以下のようになる。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 121

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    template <typename TO, typename FROM, typename... FROMs>
    struct are_convertible_without_narrow_conv {
        static constexpr bool value{
            is_convertible_without_narrow_conv_v<TO, FROM> 
                  && are_convertible_without_narrow_conv<TO, FROMs...>::value};
    };

    template <typename TO, typename FROM>
    struct are_convertible_without_narrow_conv<TO, FROM> {
        static constexpr bool value{is_convertible_without_narrow_conv_v<TO, FROM>};
    };

    template <typename TO, typename FROM, typename... FROMs>
    constexpr bool are_convertible_without_narrow_conv_v{
        are_convertible_without_narrow_conv<TO, FROM, FROMs...>::value};
    }  // namespace Inner_

    template <typename TO, typename FROM, typename... FROMs>
    struct AreConvertibleWithoutNarrowConv
        : std::conditional_t<Inner_::are_convertible_without_narrow_conv_v<TO, FROM, FROMs...>,
                             std::true_type, std::false_type> {
    };

    template <typename TO, typename FROM, typename... FROMs>
    constexpr bool AreConvertibleWithoutNarrowConvV{
        AreConvertibleWithoutNarrowConv<TO, FROM, FROMs...>::value};
    }  // namespace Nstd

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 63

    static_assert(Nstd::AreConvertibleWithoutNarrowConvV<int, char, int16_t, uint16_t>);
    static_assert(!Nstd::AreConvertibleWithoutNarrowConvV<int, char, int16_t, uint32_t>);
    static_assert(Nstd::AreConvertibleWithoutNarrowConvV<std::string, char[5], char*>);
    static_assert(Nstd::AreConvertibleWithoutNarrowConvV<double, float>);

    // int8_t -> doubleは縮小型変換
    static_assert(!Nstd::AreConvertibleWithoutNarrowConvV<double, float, int8_t>);

ConvertibleToAll

ConvertibleToAllの実装は下記のようになる。

    //  h/nstd_concepts.h 57

// 複数の型 FROMs がすべて TO に変換可能かどうかを制約するコンセプト
template <typename TO, typename... FROMs>
concept ConvertibleToAll = (std::convertible_to<FROMs, TO> && ...);

使用方法を含めて、単体テストは以下のようになる。

    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 137

    // ConvertibleToAll_Test テンプレートの定義
    template <typename TO, typename... FROMs>
    struct ConvertibleToAll_Test : std::false_type {
    };

    // すべての FROMs が TO に変換可能な場合の部分特殊化
    template <typename TO, typename... Us>
    requires ConvertibleToAll<TO, Us...>
    struct ConvertibleToAll_Test<TO, Us...> : std::true_type {
    };

    struct convert_bool {
        operator bool() const { return false; }
    };

    static_assert(!ConvertibleToAll_Test<bool, int, std::string>::value);
    static_assert(ConvertibleToAll_Test<bool, int, convert_bool>::value);

ConvertibleWithoutNarrowing

ConvertibleWithoutNarrowingは以下のようなコンセプトである。

実装は以下のようになる。

    //  h/nstd_concepts.h 63

namespace Inner_ {

template <typename TO, typename FROM>
concept convertible_without_narrowing = requires(FROM from)
{
    { TO {from} } -> std::same_as<TO>;
};

// 複数の型が変換可能かどうかを確認するバージョン
template <typename TO, typename... FROMs>
concept all_convertible_without_narrowing = (convertible_without_narrowing<TO, FROMs> && ...);

}  // namespace Inner_

// コンセプトを使用
template <typename TO, typename... FROMs>
concept ConvertibleWithoutNarrowing = Inner_::all_convertible_without_narrowing<TO, FROMs...>;

単体テストは他の似たコンセプトとほぼ同様になるため省略する。

関数の存在の診断

Nstdライブラリの開発には関数の存在の診断が欠かせない。 例えば、

等、応用範囲は多岐にわたる。 ここでは、上記の場合分けを可能とするようなメタ関数に必要なテクニックや、 それらを使用したNstdのメタ関数の実装を下記のように示す。

メタ関数名 メタ関数の目的
exists_void_func_sfinae_f メンバ関数void func()を持つかどうかの判断
exists_void_func_sfinae_s 同上
exists_void_func_sfinae_s2 同上
exists_void_func_concept 同上。コンセプトによるSFINAEの回避
メタ関数名 メタ関数の目的
exists_begin/exsits_end SFINAEを使用したstd::begin(T)/std::end(T)が存在するか否かの診断
Array 型が配列である制約を行うためのコンセプト
Beginable/Endable コンセプトを使用したexists_begin/exsits_endを単純化した例
IsRange exists_begin/exsits_endを使し、範囲forのオペランドになれるか?の判断
Ranged 機能はIsRangeと同一だが、コンセプトを使用しSFINAEの回避
Container Ranged且つ!Arrayをコンテナと便宜的に決めつける
メタ関数名 メタ関数の目的
exists_put_to_as_member std::ostream::operator<<(T)が存在するか否かの診断
exists_put_to_as_non_member operator<<(std::ostream&, T)が存在するか否かの診断
ExistsPutTo std::ostream& << Tができるかどうかの診断
Printable std::ostream& << Tができるかどうか制約コンセプト

exists_void_func_sfinae_f

「テンプレートパラメータである型が、メンバ関数void func()を持つかどうかを診断する」 exists_void_func_sfinae_f のSFINAEと関数テンプレート/関数のオーバーロードを用いた実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 13

    namespace Inner_ {

    template <typename T>
    using exists_void_func_void =
        // メンバvoid func(void)があれば、voidを生成
        // メンバvoid func(void)がなければ、ill-formed
        typename std::enable_if_t<std::is_same_v<decltype(std::declval<T>().func()), void>>;
    }  // namespace Inner_

    template <typename T, typename = Inner_::exists_void_func_void<T>>
    constexpr bool exists_void_func_sfinae_f(T) noexcept
    {
        return true;
    }

    constexpr bool exists_void_func_sfinae_f(...) noexcept { return false; }

decltypeの中での関数呼び出しは、実際には呼び出されず関数の戻り値の型になる。 上記の抜粋である下記のコードはこの性質を利用してSFINAEによる静的ディスパッチを行っている。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 20

    // メンバvoid func(void)があれば、voidを生成
    // メンバvoid func(void)がなければ、ill-formed
    typename std::enable_if_t<std::is_same_v<decltype(std::declval<T>().func()), void>>;

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 40

    // テスト用クラス
    struct X {
        void func();
    };

    struct Y {
        int func();
    };

    struct Z {
    private:
        void func();  // privateなvoid func()は外部からは呼び出せない
    };
    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 60

    static_assert(!exists_void_func_sfinae_f(int{}));
    static_assert(exists_void_func_sfinae_f(X{}));
    static_assert(!exists_void_func_sfinae_f(Y{}));
    static_assert(!exists_void_func_sfinae_f(Z{}));

exists_void_func_sfinae_s

「テンプレートパラメータである型が、メンバ関数void func()を持つかどうかを診断」する exists_void_func_sfinae_s のSFINAEとクラステンプレートの特殊化を用いた実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 69

    template <typename T, typename U = void>
    struct exists_void_func_sfinae_s : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_void_func_sfinae_s<T,
        // メンバvoid func()が呼び出せれば、voidを生成
        // メンバvoid func()が呼び出せなければ、ill-formed
        decltype(std::declval<T>().func())
        > : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_void_func_sfinae_s_v{exists_void_func_sfinae_s<T>::value};

exists_void_func_sfinae_fとほぼ等しいSFINAEを利用したクラステンプレートの特殊化により、 静的ディスパッチを行っている。

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 91

    static_assert(!exists_void_func_sfinae_s_v<int>);
    static_assert(exists_void_func_sfinae_s_v<X>);
    static_assert(!exists_void_func_sfinae_s_v<Y>);
    static_assert(!exists_void_func_sfinae_s_v<Z>);

exists_void_func_sfinae_s2

exists_void_func_sfinae_sとほぼ同様の仕様を持つexists_void_func_sfinae_s2の

を用いた実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 100

    template <typename T>
    class exists_void_func_sfinae_s2 {

        // メンバvoid func()が呼び出せれば、メンバ関数テンプレートはtrueを返す
        // メンバvoid func()が呼び出せなければ、ill-formed
        template <typename U, void (U::*)() = &U::func>
        static constexpr bool detector(U*) noexcept
        {
            return true;
        }

        static constexpr bool detector(...) noexcept { return false; }

    public:
        static constexpr bool value{exists_void_func_sfinae_s2::detector(static_cast<T*>(nullptr))};
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_void_func_sfinae_s2_v{exists_void_func_sfinae_s2<T>::value};

前2例とは異なり、上記の抜粋である下記コードのように、 メンバ関数へのポインタを使用しSFINAEを実装している。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 105

    // メンバvoid func()が呼び出せれば、メンバ関数テンプレートはtrueを返す
    // メンバvoid func()が呼び出せなければ、ill-formed
    template <typename U, void (U::*)() = &U::func>
    static constexpr bool detector(U*) noexcept
    {
        return true;
    }

あまり応用範囲が広くない方法ではあるが、 decltypeを使っていないのでC++03コンパイラにも受け入れられるメリットがある。

exists_void_func_sfinae_fと同じテスト用クラスを用いた単体テストは以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 129

    static_assert(!exists_void_func_sfinae_s2_v<int>);
    static_assert(exists_void_func_sfinae_s2_v<X>);
    static_assert(!exists_void_func_sfinae_s2_v<Y>);
    static_assert(!exists_void_func_sfinae_s2_v<Z>);

演習-メンバ関数の存在の診断

exists_void_func_concept

exists_void_func_sfinae_sexists_void_func_sfinae_s2 の実装で見たようなSFINAEによるテンプレートの特殊化は難解なコードを生み出す。 また、シンタックスエラー時、ほぼ理解できない大量のコンパイラのメッセージを生成する。 このため、このようなテクニックはきわめて有用である一方で、開発に多くの時間を消費する、 保守員を選んでしまう、といった問題があった。 以下に示すように、C++20から導入されたコンセプトはこのような問題の軽減につながる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 138

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    template <typename T>  // C++20スタイル。concept/requiresによるSFINAEの回避
    concept exists_void_func_concept = requires(T& t)
    {
        { t.func() } -> std::same_as<void>;
    };

    #else  // c++17
    namespace Inner_ {
    template <typename T, typename = void>
    struct exists_void_func_impl : std::false_type {
    };

    template <typename T>  // C++17スタイル。SFINAEでの実装
    struct exists_void_func_impl<
        T,
        std::void_t<decltype(std::declval<T&>().func())>>  // func()が呼び出し可能か確認
        : std::is_same<void, decltype(std::declval<T&>().func())>  // 戻り値がvoidか確認
    {
    };
    }  // namespace Inner_

    template <typename T>
    inline constexpr bool exists_void_func_concept = Inner_::exists_void_func_impl<T>::value;
    #endif
    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 171
    static_assert(!exists_void_func_concept<decltype(int{})>);
    static_assert(exists_void_func_concept<decltype(X{})>);
    static_assert(!exists_void_func_concept<decltype(Y{})>);  // Y::funcの戻りはint
    static_assert(!exists_void_func_concept<decltype(Z{})>);  // Z::funcは呼び出せない

exists_begin/exsits_end

「テンプレートパラメータTに対して、 std::begin(T)が存在するか否かの診断」をするexists_beginの実装は、 「exists_void_func_sfinae_s」 で用いたパターンのメンバ関数を非メンバ関数に置き換えて使えば以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 181

    template <typename, typename = void>
    struct exists_begin : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_begin<T, std::void_t<decltype(std::begin(std::declval<T>()))>> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_begin_v{exists_begin<T>::value};

上記で使用したstd::void_tは、テンプレートパラメータが

テンプレートである。

下記単体テストでは問題ないように見えるが、

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 197

    static_assert(exists_begin_v<std::string>);
    static_assert(!exists_begin_v<int>);
    static_assert(exists_begin_v<int const[3]>);

下記の単体テストはstatic_assertがフェールするためコンパイルできない。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 207

    // 以下が問題
    static_assert(exists_begin_v<int[3]>);

理由は、

    std::declval<int[3]>())

の戻り型が配列型のrvalueである”int (&&) [3]“となり、 これに対応するstd::beginが定義されていないためである。

これに対処する方法方はいくつかあるが、 すべての配列は常にstd::beginの引数になれることに気づけば、 テンプレートパラメータが配列か否かで場合分けしたクラステンプレートの特殊化を使い、 下記のように実装できることにも気付けるだろう。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 224

    template <typename, typename = void>
    struct exists_begin : std::false_type {
    };

    // Tが非配列の場合の特殊化
    template <typename T>
    struct exists_begin<T,
                        typename std::enable_if_t<!std::is_array_v<T>,
                                                  std::void_t<decltype(std::begin(std::declval<T>()))>>>
        : std::true_type {
    };

    // Tが配列の場合の特殊化
    template <typename T>
    struct exists_begin<T, typename std::enable_if_t<std::is_array_v<T>>> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_begin_v{exists_begin<T>::value};

2個目のexists_beginはTが配列でない場合、 3個目のexists_beginはTが配列ある場合にそれぞれが対応しているが、複雑すぎて何とも醜い。 ということで、このコードは却下して、別のアイデアを試そう。

テンプレートパラメータが配列である場合でも、 そのオブジェクトがlvalue(この例ではint (&)[3])であれば、 std::beginはそのオブジェクトを使用できるので、 decltype内で使用できるlvalueのT型オブジェクトを生成できれば、 と考えれば下記のような実装を思いつくだろう。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 164

    template <typename, typename = void>
    struct exists_begin : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_begin<T, std::void_t<decltype(std::begin(std::declval<T&>()))>> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_begin_v{exists_begin<T>::value};

十分にシンプルなのでこれを採用し、exists_endも同様に実装する。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 177

    template <typename, typename = void>
    struct exists_end : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_end<T, std::void_t<decltype(std::end(std::declval<T&>()))>> : std::true_type {
    };
    template <typename T>
    constexpr bool exists_end_v{exists_end<T>::value};

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 97

    static_assert(exists_begin_v<std::string>);
    static_assert(!exists_begin_v<int>);
    static_assert(exists_begin_v<int const[3]>);
    static_assert(exists_begin_v<int[3]>);  // 問題が解決

    static_assert(exists_end_v<std::string>);
    static_assert(!exists_end_v<int>);
    static_assert(exists_end_v<int const[3]>);
    static_assert(exists_end_v<int[3]>);

IsRange

範囲for文 文の”:“の後ろにT型オブジェクトが指定できる要件は、

ようなことである。多くの要件はセマンティクス的なものであり、 メタ関数で診断できることは前項で見たようなstd::begin(T)、std::end(T)の可否のみであると考えれば、 IsRangeの実装は以下のようになる。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 191

    template <typename T>
    struct IsRange : std::conditional_t<Inner_::exists_begin_v<T> && Inner_::exists_end_v<T>,
                                        std::true_type, std::false_type> {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool IsRangeV{IsRange<T>::value};

なお、上記のコードでは、exists_begin/exsits_endは、IsRangeの実装の詳細であるため、 名前空間Inner_で宣言している。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 116

    static_assert(IsRangeV<std::string>);
    static_assert(!IsRangeV<int>);
    static_assert(IsRangeV<int const[3]>);
    static_assert(IsRangeV<int[3]>);

演習-範囲for文のオペランドになれるかどうかの診断

Array

以降の節で使用するため、テンプレートパラメータが配列である制約を下記のように宣言する。

    //  h/nstd_concepts.h 9

    template <typename T>
    concept Array = std::is_array_v<T>;
    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 18

    int  a[3];
    int* ptr = a;
    auto v   = std::vector{1, 2, 3};

    static_assert(Array<decltype(a)>);

    static_assert(Array<decltype(a)>);
    static_assert(!Array<decltype(ptr)>);

Beginable/Endable

コンセプトを使用し、exists_begin/exsits_endをリファクタリングした例を以下に示す。

    //  h/nstd_concepts.h 15

    template <typename T>
    concept Beginable = Array<T> || requires(T& t)
    {
        { std::begin(t) } -> std::same_as<typename T::iterator>;
    };

    template <typename T>
    concept Endable = Array<T> || requires(T& t)
    {
        { std::end(t) } -> std::same_as<typename T::iterator>;
    };
    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 34

    int  a[3];
    int* ptr = a;
    auto v   = std::vector{1, 2, 3};

    static_assert(Array<decltype(a)>);

    static_assert(Beginable<decltype(a)>);
    static_assert(!Beginable<decltype(ptr)>);
    static_assert(Beginable<decltype(v)>);

Ranged

IsRangeと同一の機能を持つコンセプトRangedを以下のように定義する。

    //  h/nstd_concepts.h 33

    template <typename T>
    concept Ranged = Beginable<T> && Endable<T>;

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 53

    static_assert(Ranged<std::string>);
    static_assert(!Ranged<int>);
    static_assert(Ranged<int const[3]>);
    static_assert(Ranged<int[3]>);

すでにみたようにRangedはexists_begin/exsits_endの醜いコードを使用しないことで、 Rangedの可読性はIsRangedに比べ格段に改善している。

Container

与えられた型をコンテナに制約するためのコンセプトを下記のように便宜的に宣言する。

    //  h/nstd_concepts.h 33

    template <typename T>
    concept Ranged = Beginable<T> && Endable<T>;

単体テストには少々の工夫が必要になる。

    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 62

    struct X {
        std::vector<int> data{1, 2, 3, 4, 5};

        auto begin() { return data.begin(); }  // std::begin
        auto end() { return data.end(); }      // std::end
    };

    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 74

    static_assert(Container<std::string>);
    static_assert(!Container<int>);
    static_assert(!Container<int const[3]>);

    static_assert(!Ranged<X>);  // begin/endがあるが、value_typeをもっていない

exists_put_to_as_member

std::ostreamのメンバ関数operator<<の戻り型はstd::ostream&であるため、 exists_put_to_as_memberの実装は以下のようになる(“<<”は英語で”put to”と発音する)。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 260

    template <typename, typename = std::ostream&>
    struct exists_put_to_as_member : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_put_to_as_member<T, decltype(std::declval<std::ostream&>().operator<<(
                                          std::declval<T>()))> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_put_to_as_member_v{exists_put_to_as_member<T>::value};

exists_void_func_sfinae_fの実装」と同様のパターンを使用したので解説は不要だろう。

単体テストは以下のようになる。

    //  example/template/test_class.h 3

    class test_class_exits_put_to {
    public:
        test_class_exits_put_to(int i = 0) noexcept : i_{i} {}
        int get() const noexcept { return i_; }

    private:
        int i_;
    };

    inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, test_class_exits_put_to const& p)
    {
        return os << p.get();
    }

    class test_class_not_exits_put_to {};
    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 277

    static_assert(exists_put_to_as_member_v<bool>);
    static_assert(!exists_put_to_as_member_v<std::string>);
    static_assert(!exists_put_to_as_member_v<std::vector<int>>);
    static_assert(exists_put_to_as_member_v<std::vector<int>*>);
    static_assert(!exists_put_to_as_member_v<test_class_exits_put_to>);
    static_assert(!exists_put_to_as_member_v<test_class_not_exits_put_to>);
    static_assert(exists_put_to_as_member_v<test_class_not_exits_put_to[3]>);  // 驚き!

やや驚きなのは、上記の抜粋である下記コードがコンパイルできることである。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 286

    static_assert(exists_put_to_as_member_v<test_class_not_exits_put_to[3]>);  // 驚き!

これは、

    std::ostream& std::ostream::operator<<(void const*)

が定義されているため、配列がポインタに変換されてこのメンバ関数にバインドした結果である。

exists_put_to_as_non_member

exists_put_to_as_non_memberの実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 295

    template <typename, typename = std::ostream&>
    struct exists_put_to_as_non_member : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_put_to_as_non_member<T, decltype(operator<<(std::declval<std::ostream&>(),
                                                              std::declval<T>()))> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_put_to_as_non_member_v{exists_put_to_as_non_member<T>::value};

exists_begin/exsits_endexists_put_to_as_memberの実装」 で使用したパターンを混合しただけなので解説や単体テストは省略する。

ExistsPutTo

テンプレートパラメータT、T型オブジェクトtに対して、 std::ostream << tができるかどうかを判断するExistsPutToの実装は以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/exists_func_ut.cpp 324

    template <typename T>
    struct ExistsPutTo
        : std::conditional_t<
              Inner_::exists_put_to_as_member_v<T> || Inner_::exists_put_to_as_non_member_v<T>,
              std::true_type, std::false_type> {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool ExistsPutToV{ExistsPutTo<T>::value};

IsRangeの実装」に影響されて、一旦このように実装したが、先に書いた通り、 そもそものExistsPutToの役割はstd::ostream << tができるかどうかの診断であることを思い出せば、 下記のように、もっとシンプルに実装できることに気づくだろう。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 206

    namespace Nstd {

    template <typename, typename = std::ostream&>
    struct ExistsPutTo : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct ExistsPutTo<T, decltype(std::declval<std::ostream&>() << std::declval<T>())>
        : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool ExistsPutToV{ExistsPutTo<T>::value};
    }  // namespace Nstd

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 127

    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<bool>);
    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<std::string>);
    static_assert(!Nstd::ExistsPutToV<std::vector<int>>);
    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<std::vector<int>*>);
    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<test_class_exits_put_to>);
    static_assert(!Nstd::ExistsPutToV<test_class_not_exits_put_to>);
    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<test_class_not_exits_put_to[3]>);

Printable

これまでのパターンに従ってPrintableを以下のように作る。

    //  h/nstd_concepts.h 42

    template <typename T>
    concept Printable = requires(T t, std::ostream& os)
    {
        { os << t } -> std::same_as<std::ostream&>;
    };
    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 86

    struct X {};  // Non-pritable
    struct Y {};  // Printable

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Y)
    {
        return os;  // 何もしない
    }

    //  example/template/nstd_concepts_ut.cpp 99

    static_assert(Printable<bool>);
    static_assert(Printable<std::string>);
    static_assert(!Printable<std::vector<int>>);
    static_assert(Printable<std::vector<int>*>);
    static_assert(!Printable<X>);
    static_assert(Printable<Y>);

これ以降は、ExistsPutToではなくPrintableを使用する。

ValueTypeの実装

下記で示す通り、

    //  example/template_cpp17/nstd_type_traits_ut.cpp 145

    struct T {};

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, std::vector<T> const& x)
    {
        return os << "T:" << x.size();
    }

    std::ostream& operator<<(std::ostream&, T const&) = delete;

    static_assert(!Nstd::ExistsPutToV<T>);              // std::cout << T{} はできない
    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<std::vector<T>>);  // std::cout << std::vector<T>{} はできる
    static_assert(Nstd::ExistsPutToV<T[3]>);            // std::cout << T[3]{} はできる

型Xが与えれ、その形式が、

のような場合、Printable<X>がtrueであっても、Printable<T>の真偽はわからない。 従って上記のようなTに対して、Printable<T>がtrueかどうかを診断するためには、 XからTを導出することが必要になる。ここでは、そのようなメタ関数ValueTypeの実装を考える。 このValueTypeは上記のX、Tに対して、

    static_assert(std::is_same<ValueType<X>::type, T>);
    // もしくは、
    static_assert(std::is_same<ValueType<X, T>);

となるような機能を持たなければならないことは明らかだろう。 その他の機能については実装しながら決定していく。

一見、難しそうなテンプレートを作るコツは、条件を絞って少しずつ作っていくことである。 いきなり大量のテンプレートを書いてしまうと、 その何十倍ものコンパイルエラーに打ちのめされること必至である。

ということで、まずは、1次元の配列に対してのみ動作するValueTypeの実装を示す (下記で使用するstd::remove_extent_t<T>は、テンプレートパラメータが配列だった場合に、 その次元を一つだけ除去するメタ関数である)。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 18

    template <typename T, typename = void>
    struct ValueType {
        using type = void;
    };

    template <typename T, size_t N>
    struct ValueType<T[N]> {  // 配列型の特殊化
        using type = T;
    };

    template <typename T>
    using ValueTypeT = typename ValueType<T>::type;

このコードは問題なく動作するが、下記の通り、2次元配列に対するValueType::typeは1次元配列となる。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 36

    static_assert(std::is_same_v<int, ValueTypeT<int[1]>>);
    static_assert(std::is_same_v<void, ValueTypeT<int>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[2], ValueTypeT<int[1][2]>>);

これを多次元配列に拡張する前に、配列の次元をで返すValueType::Nestや、extent、type_directを追加することにすると、 コードは下記のようになるだろう。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 49

    template <typename T, typename = void>
    struct ValueType {
        using type        = void;
        using type_direct = T;
        static constexpr size_t Nest{0};
    };

    template <typename T, size_t N>
    struct ValueType<T[N]> {  // 配列型の特殊化
        using type                     = T;
        using type_direct              = T;  // T = S[N]の場合、Tを保存
        static constexpr size_t extent = N;  // T = S[N]の場合、Nを保存
        static constexpr size_t Nest{ValueType<type>::Nest + 1};
    };

    template <typename T>
    using ValueTypeT = typename ValueType<T>::type;

動作は下記のようになる。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 76

    static_assert(0 == ValueType<int>::Nest);
    static_assert(1 == ValueType<int[1]>::Nest);
    static_assert(2 == ValueType<int[1][2]>::Nest);
    static_assert(1 == ValueType<int[1]>::extent);
    static_assert(1 == ValueType<int[1][2]>::extent);  // int[1][2] == (int[1])[2]

ここで、下記のような仕様をもつValueType::type_n<N>を考える。

    ValueType<int[1][2][3]>::type_n<0>が表す型は、int[1][2][3]
    ValueType<int[1][2][3]>::type_n<1>が表す型は、int[2][3]
    ValueType<int[1][2][3]>::type_n<2>が表す型は、int[3]
    ValueType<int[1][2][3]>::type_n<3>が表す型は、int

ValueType::type_n<N>は玉ねぎの皮を一枚ずつむくようなメンバテンプレートになる。 プライマリの実装は以下のようになる。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 91

    template <typename T>
    struct ValueType {
        using type                     = T;
        using type_direct              = T;
        static constexpr size_t extent = 0;
        static constexpr size_t Nest   = 0;

        template <size_t N>
        using type_n = std::conditional_t<N == 0, T, void>;  // Nが0のときはT、それ以外はvoidを返す
    };

Nが非0の場合、Value::type_n<N>はvoidになる仕様にした。

配列に対する特殊化は以下のようになる。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 104

    template <typename T, size_t N>  // Array Tを使わずに配列の一般的な表現を使用してNを取り出す
    struct ValueType<T[N]> {  // 配列型の特殊化
        using type                     = typename ValueType<T>::type;
        using type_direct              = T;
        static constexpr size_t extent = N;
        static constexpr size_t Nest   = ValueType<T>::Nest + 1;

        template <size_t M>
        using type_n = std::conditional_t<M == 0, T[N], typename ValueType<T>::template type_n<M - 1>>;
    };

Value::type_n<>のリカーシブ展開を頭の中で行うことは難しいので、 読者の理解を確かめるため、以下のように順を追って一枚づつ配列の階層を剝ぎ取る様子を見ていく。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 126

    // ValueType<int[1][2][3]>の展開について、考えよう。

    // int[1][2][3]は == (int[2][3])[1]であるため、下記の式が成立する
    static_assert(std::is_same_v<ValueType<int[1][2][3]>::type_direct, int[2][3]>);
    static_assert(ValueType<int[1][2][3]>::extent == 1);

    // type_n<M>の仕様は、Mが1の時、配列から1階層を1枚剥ぎ取ることである
    using T1 = ValueType<int[1][2][3]>::type_n<1>;  // 長い式は可読性が劣化するからT1を宣言

    // int[2][3] == (int[3])[2]であるため、下記の式が成立する
    static_assert(std::is_same_v<T1, int[2][3]>);
    static_assert(ValueType<T1>::extent == 2);

    // 上記T1と同様にT2を宣言する
    using T2 = ValueType<T1>::type_n<1>;

    // int[2][3] == (int[3])[2]であるため、下記の式が成立する
    static_assert(std::is_same_v<T2, int[3]>);
    static_assert(ValueType<T2>::extent == 3);

    // 上記T1、T2と同様にT3を宣言する
    using T3 = ValueType<T2>::type_n<1>;

    static_assert(std::is_same_v<T3, int>);
    static_assert(ValueType<T3>::extent == 0);

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 155

    using T = int[1][2][3];

    static_assert(std::is_same_v<int[1][2][3], ValueType<T>::type_n<0>>);  // 0枚剝く
    static_assert(std::is_same_v<int[2][3], ValueType<T>::type_n<1>>);     // 1枚剝く
    static_assert(std::is_same_v<int[3], ValueType<T>::type_n<2>>);        // 2枚剝く
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type_n<3>>);           // 3枚剝く
    static_assert(std::is_same_v<void, ValueType<T>::type_n<4>>);          // 全部剝く

また、ValueType::NestとValueType::type_n<>の関係に注目すれば、 上記エイリアスTに対して下記が成立する。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 178

    using T = ValueTypeT_n<int[1][2][3], 3>;

    static_assert(std::is_same_v<int, T>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueTypeT_n<T, ValueType<T>::Nest>>);

このテンプレートにコンテナが渡された時の特殊化を与えることができればValueTypeは完成するが、 こういったタイミングで、リファクタリングを行い名前の整理や不要になったコードを削除することは良い習慣である。

これによりValueTypeは下記のようになる。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 240

    template <typename T>
    struct ValueType {  // プライマリ
        using type                   = T;
        static constexpr size_t Nest = 0;

        template <size_t N>
        using type_n = std::conditional_t<N == 0, T, void>;
    };

    template <typename T, size_t N>
    struct ValueType<T[N]> {  // 配列型の特殊化
        using type                   = typename ValueType<T>::type;
        static constexpr size_t Nest = ValueType<T>::Nest + 1;

        template <size_t M>
        using type_n = std::conditional_t<M == 0, T[N], typename ValueType<T>::template type_n<M - 1>>;
    };

準備は整ったので上記のValueTypeに下記のようなコンテナ用特殊化を追加する。 この特殊化のテンプレートパラメータの制約にはすでに開発したコンセプトContainerを使用する。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 261

    template <Container T>
    struct ValueType<T> {  // コンテナ型の特殊化
        using type                   = typename ValueType<typename T::value_type>::type;
        static constexpr size_t Nest = ValueType<typename T::value_type>::Nest + 1;

        template <size_t N>
        using type_n = std::conditional_t<N == 0, T, typename ValueType<typename T::value_type>::template type_n<N - 1>>;
    };

まずは、追加した特殊化の機能を下記のように単体テストを行う。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 278

    using T = int[1][2][3];

    // コンテナ特殊化以外の機能チェック
    static_assert(std::is_same_v<T, ValueType<T>::type_n<0>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[2][3], ValueType<T>::type_n<1>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[3], ValueType<T>::type_n<2>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type_n<3>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type>);

次に特殊化がデグレードを起こしていないことを下記のように証明する。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 291

    // コンテナ特殊化の機能の機能チェック
    using T = std::vector<std::vector<std::vector<int>>>;

    static_assert(std::is_same_v<T, ValueType<T>::type_n<0>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type_n<3>>);
    static_assert(ValueType<T>::Nest == 3);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type>);

ValueTypeの最終的な単体テストのために上記を統合したテストを行う。

    //  example/template/value_type_ut.cpp 303

    // 統合した機能チェック
    using T = std::vector<int[1][2][3]>;

    static_assert(std::is_same_v<T, ValueType<T>::type_n<0>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[1][2][3], ValueType<T>::type_n<1>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[2][3], ValueType<T>::type_n<2>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[3], ValueType<T>::type_n<3>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type_n<4>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type>);
    static_assert(ValueType<T>::Nest == 4);

    using L = std::list<T>;

    static_assert(std::is_same_v<T, ValueType<L>::type_n<1>>);
    static_assert(std::is_same_v<int[1][2][3], ValueType<L>::type_n<2>>);
    static_assert(std::is_same_v<int, ValueType<T>::type>);
    static_assert(ValueType<L>::Nest == 5);

以上でValueTypeは完成したが、これ以降のこのドキュメントの前準備として、 多少のメンバの追加や調整をした最終のコードを以下に示す。

    //  example/h/nstd_type_traits.h 227

    namespace Nstd {
    template <typename T, typename = void>  // ValueTypeのプライマリ
    struct ValueType {
        using type_direct = void;

        static constexpr bool   IsBuiltinArray{false};
        static constexpr size_t Nest{0};

        template <size_t N>
        using type_n = typename std::conditional_t<N == 0, T, void>;

        using type = type_n<Nest>;
    };

    #if __cplusplus <= 201703L  // c++17
    namespace Inner_ {

    template <typename T, size_t N>
    struct conditional_value_type_n {
        using type = typename std::conditional_t<
            ValueType<T>::Nest != 0,
            typename ValueType<typename ValueType<T>::type_direct>::template type_n<N - 1>, T>;
    };

    template <typename T>
    struct conditional_value_type_n<T, 0> {
        using type = T;
    };

    template <typename T, typename = void>
    struct array_or_container : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct array_or_container<T, typename std::enable_if_t<std::is_array_v<T>>> : std::true_type {
        using type = typename std::remove_extent_t<T>;
    };

    // Tが配列でなく、且つT型インスタンスに範囲for文が適用できるならばstdコンテナと診断する
    template <typename T>
    constexpr bool is_container_v{Nstd::IsRange<T>::value && !std::is_array_v<T>};

    template <typename T>
    struct array_or_container<T, typename std::enable_if_t<is_container_v<T>>> : std::true_type {
        using type = typename T::value_type;
    };

    template <typename T>
    constexpr bool array_or_container_v{array_or_container<T>::value};
    }  // namespace Inner_

    template <typename T>  // ValueTypeの特殊化
    struct ValueType<T, typename std::enable_if_t<Inner_::array_or_container_v<T>>> {
        using type_direct = typename Inner_::array_or_container<T>::type;

        static constexpr bool   IsBuiltinArray{std::is_array_v<T>};
        static constexpr size_t Nest{ValueType<type_direct>::Nest + 1};

        template <size_t N>
        using type_n = typename Inner_::conditional_value_type_n<T, N>::type;

        using type = type_n<Nest>;
    };
    #else  // c++17

    template <typename T, size_t N>
    struct ValueType<T[N]> {  // 配列型の特殊化
        using type_direct = T;

        static constexpr bool   IsBuiltinArray{true};
        static constexpr size_t Nest{ValueType<type_direct>::Nest + 1};

        template <size_t M>
        using type_n = std::conditional_t<M == 0, T[N], typename ValueType<T>::template type_n<M - 1>>;

        using type = type_n<Nest>;
    };

    template <Container T>  // ValueTypeの特殊化
    struct ValueType<T> {   // コンセプトによるSFINAEの回避
        using type_direct = typename T::value_type;

        static constexpr bool   IsBuiltinArray{false};
        static constexpr size_t Nest{ValueType<type_direct>::Nest + 1};

        template <size_t N>
        using type_n = std::conditional_t<N == 0, T, typename ValueType<typename T::value_type>::template type_n<N - 1>>;

        using type = type_n<Nest>;
    };
    #endif

    template <typename T>
    using ValueTypeT = typename ValueType<T>::type;

    template <typename T, size_t N>
    using ValueTypeT_n = typename ValueType<T>::template type_n<N>;
    }  // namespace Nstd

演習-配列の長さの取り出し 演習-配列の次元の取り出し

Nstdライブラリの開発2

ここでは予定していた通りSafeArray2を開発し、その後Nstdに必要なライブラリの開発を続ける。

SafeArray2の開発

安全な配列型コンテナ」で断念したSafeArray2の開発を再開する前に、 SafeArray2の要件をまとめると、

となる。この要件を満たすためには、SafeArrayが

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 155

    template <typename... ARGS>  // コンストラクタを定義
    SafeArray(ARGS... args) : base_type{args...}
    {
    }

で行っていた初期化を、SafeArray2では、 「縮小型変換が起こるか否かによる場合分けを行い、 それぞれの場合に対応するコンストラクタテンプレートによって初期化」 するようにすれば良いことがわかる。

パラメータパックによるコンストラクタのシグネチャは上記した一種類しかないため、 関数のシグネチャの差異よるオーバーロードは使えない。 とすれば、テンプレートパラメータの型の差異によるオーバーロードを使うしか方法がない。 縮小型変換が起こるか否かの場合分けは、 コンセプトConvertibleWithoutNarrowingを使用したSFINAEで実現させることができる。 という風な思考の変遷により以下のコードにたどり着く。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 228
namespace Nstd {

template <typename T, size_t N>
struct SafeArray2 : std::array<T, N> {
    using std::array<T, N>::array;  // 継承コンストラクタ
    using base_type = std::array<T, N>;

    // 縮小型変換した場合には、ill-formedになるコンストラクタ
    /* c++17スタイルのSFINAE
    template <typename... ARGS,
              typename = 
                  typename std::enable_if_t<
                       AreConvertibleWithoutNarrowConvV<T, ARGS...>>>
    */ 
    template <typename... ARGS> // C++20のコンセプトを使用したSFINAE
    requires ConvertibleWithoutNarrowing<T, ARGS...>
    SafeArray2(ARGS... args) : base_type{args...} // 初期化子リストによるarrayの初期化
    {
    }

    // 縮小型変換しない場合には、ill-formedになるコンストラクタ
    /* C++17までのSFINAE
    template <typename... ARGS, 
              typename std::enable_if_t<
                  !AreConvertibleWithoutNarrowConvV<T, ARGS...>>* = nullptr>
    */
    template <typename... ARGS> // C++20のコンセプトを使用したSFINAE
    requires (!ConvertibleWithoutNarrowing<T, ARGS...>)  // この行には()が必要
    SafeArray2(ARGS... args) :
        base_type{T(args)...},  // 縮小型変換を抑止するため、T(args)が必要
        is_with_narrow_conv_{true}
    {
    }

    using size_type = typename base_type::size_type;

    typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
    typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }

    bool InitWithNarrowing() const noexcept { return is_with_narrow_conv_; }

private:
    bool const is_with_narrow_conv_{false};
};
}  // namespace Nstd

下記のようなコードでのコンストラクタ呼び出しには、

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 299

    auto sa_init = Nstd::SafeArray2<int, 3>{1, 2, 3};

上記の抜粋である下記のコンストラクタが置換失敗により排除される(SFINAE)。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 252

    // 縮小型変換しない場合には、ill-formedになるコンストラクタ
    /* C++17までのSFINAE
    template <typename... ARGS, 
              typename std::enable_if_t<
                  !AreConvertibleWithoutNarrowConvV<T, ARGS...>>* = nullptr>
    */
    template <typename... ARGS> // C++20のコンセプトを使用したSFINAE
    requires (!ConvertibleWithoutNarrowing<T, ARGS...>)  // この行には()が必要
    SafeArray2(ARGS... args) :
        base_type{T(args)...},  // 縮小型変換を抑止するため、T(args)が必要
        is_with_narrow_conv_{true}
    {
    }

従って、マッチするコンストラクタは

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 237

    // 縮小型変換した場合には、ill-formedになるコンストラクタ
    /* c++17スタイルのSFINAE
    template <typename... ARGS,
              typename = 
                  typename std::enable_if_t<
                       AreConvertibleWithoutNarrowConvV<T, ARGS...>>>
    */ 
    template <typename... ARGS> // C++20のコンセプトを使用したSFINAE
    requires ConvertibleWithoutNarrowing<T, ARGS...>
    SafeArray2(ARGS... args) : base_type{args...} // 初期化子リストによるarrayの初期化
    {
    }

のみとなり、無事にコンパイルが成功し、下記の単体テストもパスする。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 299

    auto sa_init = Nstd::SafeArray2<int, 3>{1, 2, 3};

    ASSERT_FALSE(sa_init.InitWithNarrowing());  // 縮小型変換なし
    ASSERT_EQ(3, sa_init.size());
    ASSERT_EQ(1, sa_init[0]);
    ASSERT_EQ(2, sa_init[1]);
    ASSERT_EQ(3, sa_init[2]);
    ASSERT_THROW(sa_init[3], std::out_of_range);

下記の単体テストの場合、SFINAEにより、先述の例とは逆のコンストラクタが選択され、 コンパイルも単体テストもパスする。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 314
    auto const sa_init = Nstd::SafeArray2<int, 3>{10, 20, 30.0};  // 30.0はintに縮小型変換される

    ASSERT_TRUE(sa_init.InitWithNarrowing());  // 縮小型変換あり
    ASSERT_EQ(3, sa_init.size());
    ASSERT_EQ(10, sa_init[0]);
    ASSERT_EQ(20, sa_init[1]);
    ASSERT_EQ(30, sa_init[2]);
    ASSERT_THROW(sa_init[3], std::out_of_range);

ここで紹介したC++17スタイルの2つのコンストラクタテンプレートの最後のパラメータには、 かなりの違和感があるだろうが、 引数や戻り値に制限の多いコンストラクタテンプレートでSFINAEを起こすためには、 このような記述が必要になる。 一方でコンセプトを使用したC++20スタイルのSFINAEの可読性の高さを実感できただろう。

なお、2つ目のコンストラクタテンプレートの中で使用した下記のコードは、 パラメータパックで与えられた全引数をそれぞれにT型オブジェクトに変換するための記法である。

    //  example/template/safe_vector_ut.cpp 264

    base_type{T(args)...},  // 縮小型変換を抑止するため、T(args)が必要

これにより、std::array<T, N>のstd::initializer_listによる初期化が縮小変換を検出しなくなる。

Nstd::SafeIndexの開発

安全なvector」、「安全な配列型コンテナ」等の中で、

を定義した。これらは少しだけランタイム速度を犠牲にすることで、 安全な(未定義動作を起こさない)インデックスアクセスを保障するため、 一般のソフトウェア開発にも有用であると思われるが、コードクローンして作ったため、 リファクタリングを行う必要がある。

まずは、Nstd::SafeVectorとNstd::SafeStringの統一を考える。

std::stringは、実際にはstd::basic_string<char>のエイリアスであることに注目すれば、 Nstd::SafeStringの基底クラスはstd::basic_string<char>であることがわかる。 この形式は、std::vector<T>と同形であるため、 Nstd::SafeVectorとNstd::SafeStringの共通コードはテンプレートテンプレートパラメータ (「is_same_templ」参照)を使用し下記のように書ける。

    //  example/template/nstd_safe_index.h 8

    namespace Nstd {

    template <template <class...> class C, typename... Ts>
    struct SafeIndex : C<Ts...> {
        using C<Ts...>::C;

        using base_type = C<Ts...>;
        using size_type = typename base_type::size_type;

        typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
        typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }
    };
    }  // namespace Nstd

このコードの使用例を兼ねた単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 8

    auto v_i = Nstd::SafeIndex<std::vector, int>{1, 2};

    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(v_i[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::vector<int>, decltype(v_i)>);
    ASSERT_EQ(1, v_i[0]);
    ASSERT_EQ(2, v_i[1]);
    ASSERT_THROW(v_i[2], std::out_of_range);

    auto str = Nstd::SafeIndex<std::basic_string, char>{"123"};

    static_assert(std::is_same_v<char&, decltype(str[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::string, decltype(str)>);
    ASSERT_EQ(3, str.size());
    ASSERT_EQ("123", str);
    ASSERT_THROW(str[3], std::out_of_range);

このままでは使いづらいので下記のようにエイリアスを使い、元のテンプレートと同じ名前を与える。

    //  example/template/nstd_safe_index.h 24

    namespace Nstd {

    template <typename T>
    using SafeVector = Nstd::SafeIndex<std::vector, T>;

    using SafeString = Nstd::SafeIndex<std::basic_string, char>;
    }  // namespace Nstd

このコードの単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 54

    auto v_i = Nstd::SafeVector<int>{1, 2};

    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(v_i[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::vector<int>, decltype(v_i)>);
    ASSERT_EQ(1, v_i[0]);
    ASSERT_EQ(2, v_i[1]);
    ASSERT_THROW(v_i[2], std::out_of_range);

    auto str = Nstd::SafeString{"123"};

    static_assert(std::is_same_v<char&, decltype(str[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::string, decltype(str)>);
    ASSERT_EQ(3, str.size());
    ASSERT_EQ("123", str);
    ASSERT_THROW(str[3], std::out_of_range);

これで、Nstd::SafeVectorとNstd::SafeStringは統一できたので、 Nstd::SafeIndexにNstd::SafeArrayの実装が取り込めれば、リファクタリングは終了となるが、 残念ながら、下記のコードはコンパイルできない。

    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 44

    // 下記のように書きたいが、パラメータパックは型と値を混在できないのでコンパイルエラー
    auto a_i = Nstd::SafeIndex<std::array, int, 5>{};

理由は、パラメータパックにはそのすべてに型を指定するか、そのすべてに値を指定しなければならず、 上記のコードのような型と値の混在が許されていないからである。

値を型に変換するstd::integral_constantを使用し、この問題を解決できる。 std::arrayから派生した下記のStdArrayLikeは、std::integral_constant::valueから値を取り出し、 基底クラスstd::arrayの第2テンプレートパラメータとする。 この仕組みにより、StdArrayLikeは、 Nstd::SafeIndexのテンプレートテンプレートパラメータとして使用できるようになる。

    //  example/template/nstd_safe_index.h 34

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    template <typename T, typename U>
    struct std_array_like : std::array<T, U::value> {
        using std::array<T, U::value>::array;

        template <typename... ARGS>
        std_array_like(ARGS... args) noexcept(std::is_nothrow_constructible_v<T, ARGS...>)
            : std::array<T, U::value>{args...}
        {
            static_assert(ConvertibleToAll<T, ARGS...>, "arguemnt error");
        }
    };
    }  // namespace Inner_
    }  // namespace Nstd

まずは、このコードの使用例を兼ねた単体テストを下記に示す。

    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 134

    auto sal = Nstd::Inner_::std_array_like<int, std::integral_constant<size_t, 3>>{1, 2, 3};

    static_assert(std::is_nothrow_constructible_v<decltype(sal), int>);  // エクセプション無し生成
    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(sal[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::array<int, 3>, decltype(sal)>);
    ASSERT_EQ(1, sal[0]);
    ASSERT_EQ(2, sal[1]);
    ASSERT_EQ(3, sal[2]);

    using T   = Nstd::Inner_::std_array_like<std::string, std::integral_constant<size_t, 3>>;
    auto sal2 = T{"1", "2", "3"};

    static_assert(!std::is_nothrow_constructible_v<std::string, char const*>);
    static_assert(!std::is_nothrow_constructible_v<T, char const*>);  // エクセプション有り生成
    static_assert(std::is_same_v<std::string&, decltype(sal2[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::array<std::string, 3>, decltype(sal2)>);
    ASSERT_EQ("1", sal2[0]);
    ASSERT_EQ("2", sal2[1]);
    ASSERT_EQ("3", sal2[2]);

これを使えば、下記のような記述が可能となる。

    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 157

    using T2   = Nstd::SafeIndex<Nstd::Inner_::std_array_like, std::string,
                               std::integral_constant<size_t, 4>>;
    auto sal_s = T2{"1", "2", "3"};

    static_assert(!std::is_nothrow_constructible_v<T2, char const*>);  // エクセプション有り生成
    static_assert(std::is_same_v<std::string&, decltype(sal_s[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::array<std::string, 4>, decltype(sal_s)>);
    ASSERT_EQ("1", sal_s[0]);
    ASSERT_EQ("2", sal_s[1]);
    ASSERT_EQ("3", sal_s[2]);
    ASSERT_EQ("", sal_s[3]);
    ASSERT_THROW(sal_s[4], std::out_of_range);

このままでは使いづらいのでNstd::SafeVector、Nstd::Stringと同様にエイリアスを使えば、 下記のようになる。

    //  example/template/nstd_safe_index.h 53

    namespace Nstd {

    template <typename T, size_t N>
    using SafeArray
        = Nstd::SafeIndex<Nstd::Inner_::std_array_like, T, std::integral_constant<size_t, N>>;
    }  // namespace Nstd

このコードの単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 89

    auto sal_s = Nstd::SafeArray<std::string, 4>{"1", "2", "3"};

    static_assert(std::is_same_v<std::string&, decltype(sal_s[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::array<std::string, 4>, decltype(sal_s)>);
    ASSERT_EQ("1", sal_s[0]);
    ASSERT_EQ("2", sal_s[1]);
    ASSERT_EQ("3", sal_s[2]);
    ASSERT_EQ("", sal_s[3]);
    ASSERT_THROW(sal_s[4], std::out_of_range);

これにより、当初の目的であったコードクローンの除去が完了した。 この効果により、下記に示したような拡張もコードクローンせずに簡単に行えるようになった。

    //  example/template/nstd_safe_index.h 62

    namespace Nstd {

    using SafeStringU16 = Nstd::SafeIndex<std::basic_string, char16_t>;
    using SafeStringU32 = Nstd::SafeIndex<std::basic_string, char32_t>;
    }  // namespace Nstd
    //  example/template_cpp17/nstd_safe_index_ut.cpp 112

    auto u16str = Nstd::SafeStringU16{u"あいうえお"};

    static_assert(std::is_same_v<char16_t&, decltype(u16str[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::u16string, decltype(u16str)>);
    ASSERT_EQ(5, u16str.size());
    ASSERT_EQ(u"あいうえお", u16str);
    ASSERT_THROW(u16str[5], std::out_of_range);

    auto u32str = Nstd::SafeStringU32{U"かきくけこ"};

    static_assert(std::is_same_v<char32_t&, decltype(u32str[0])>);
    static_assert(std::is_base_of_v<std::u32string, decltype(u32str)>);
    ASSERT_EQ(5, u32str.size());
    ASSERT_EQ(U"かきくけこ", u32str);
    ASSERT_THROW(u32str[5], std::out_of_range);

Nstd::SafeIndexのoperator<<の開発

ここでは、Nstd::SafeIndexのoperator<<の開発を行う。

他のoperator<<との間で定義が曖昧にならないようにするためには、 テンプレートテンプレートパラメータを使って以下のようにすることが考えられる。

    //  example/template_cpp17/safe_index_put_to_ut.cpp 8

    template <template <class...> class C, typename... Ts>
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Nstd::SafeIndex<C, Ts...> const& safe_index)
    {
        auto sep = "";

        for (auto const& i : safe_index) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }

以下の単体テストで動作確認する。

    //  example/template_cpp17/safe_index_put_to_ut.cpp 25
    {
        auto v_i = Nstd::SafeVector<int>{1, 2};

        auto oss = std::ostringstream{};
        oss << v_i;
        ASSERT_EQ("1, 2", oss.str());
    }
    {
        auto sal_s = Nstd::SafeArray<std::string, 4>{"1", "2", "3"};
        auto oss   = std::ostringstream{};
        oss << sal_s;
        ASSERT_EQ("1, 2, 3, ", oss.str());  // 4番目には何も入っていない
    }

ここまではうまく行っているが、以下の単体テストによりバグが発覚する。

    //  example/template_cpp17/safe_index_put_to_ut.cpp 40

    {
        auto s_str = Nstd::SafeString{"hello"};
        auto oss   = std::ostringstream{};
        oss << s_str;

        // ASSERT_EQ("hello", oss.s_str());     // これがパス出来たらよいが、
        ASSERT_EQ("h, e, l, l, o", oss.str());  // 実際にはこのようになる。
    }
    {
        auto str = std::string{"hello"};  // 上記と比較のためのstd::stringでのoperator<<

        auto oss = std::ostringstream{};
        oss << str;
        ASSERT_EQ("hello", oss.str());
    }

この原因は、Nstd::SafeStringオブジェクトに対して、std::operator<<が使用されなかったからである。

メタ関数のテクニック」で紹介したSFINAEによりこの問題を回避できるが、 ここでも、すでにみてきたコンセプトによる制約によりこの問題に対処する。

    //  example/template_cpp17/safe_index_put_to_ut.cpp 99


    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    namespace Inner_ {
    template <typename T>
    concept not_safe_string = !std::is_same_v<T, Nstd::SafeString>;
    }
    #endif

    template <template <class...> class C, typename... Ts>
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    auto operator<<(std::ostream& os, Nstd::SafeIndex<C, Ts...> const& safe_index) -> std::ostream& 
        requires Inner_::not_safe_string<Nstd::SafeIndex<C, Ts...>> // enable_ifによるSFINAEを避け、

    #else  // c++17
    auto operator<<(std::ostream& os, Nstd::SafeIndex<C, Ts...> const& safe_index) ->
        typename std::enable_if_t<    // safe_indexがSafeString型ならば、SFINAEにより非活性化
            !std::is_same_v<Nstd::SafeIndex<C, Ts...>, Nstd::SafeString>, std::ostream&>
    #endif
    {  // コンセプトによる制約
        auto sep = "";

        for (auto const& i : safe_index) {
            os << std::exchange(sep, ", ") << i;
        }

        return os;
    }

これにより先ほど問題が発生した単体テストも下記のようにパスする。

    //  example/template_cpp17/safe_index_put_to_ut.cpp 146

    auto str = Nstd::SafeString{"hello"};
    auto oss = std::ostringstream{};
    oss << str;
    ASSERT_EQ("hello", oss.str());  // std::operator<<が使われる
    // ASSERT_EQ("h, e, l, l, o", oss.str());

コンテナ用Nstd::operator<<の開発

Nstd::SafeIndexのoperator<<の開発」で定義したNstd::operator<<の構造は、 範囲for文に適用できる配列やstdコンテナにも使えるため、ここではその拡張を考える。

すでに述べたように注意すべきは、

であるため、型Tが新しいNstd::operator<<を使用できる条件は、

となるだろう。この条件を診断するためのメタ関数は以下のようになる。

    //  example/template/nstd_put_to.h 17

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    template <typename T>  // Nstd::Printableを使用するとg++のバグで、問題が発生するため、
                           // バグ回避のため敢えてここでNstd::Inner_::Printableを宣言する
    concept Printable = requires(T t, std::ostream& os)
    {
        { os << t } -> std::same_as<std::ostream&>;
    };

    template <typename T>
    constexpr bool enable_range_put_to() noexcept
    {
        if constexpr (Nstd::ValueType<T>::IsBuiltinArray) {  // Tは配列
            if constexpr (std::is_same_v<char,
                                         typename Nstd::ValueType<T>::type_direct>) {  // Tはchar配列
                return false;
            }
            else {
                return Nstd::Printable<typename Nstd::ValueTypeT<T>>;
            }
        }
        else {  // Tは配列ではない
            if constexpr (Printable<T>) {
                return false;
            }
            else {
                if constexpr (Nstd::IsRangeV<T>) {  // 範囲for文に適用できる
                    return Nstd::Printable<typename Nstd::ValueTypeT<T>>;
                }
                else {
                    return false;
                }
            }
        }
    }

    template <typename T>
    constexpr bool enable_range_put_to_v{enable_range_put_to<T>()};
    }  // namespace Inner_
    }  // namespace Nstd

ただし、このようなコードはコンパイラのバグによりコンパイルできないことがある。 実際、現在使用中のg++ではこのコードはコンパイルできず、 上記コードでコメントにも書いた通り、Inner_の中でPrintableを再定義することで、 そのワークアラウンドを行っている。

このような場合、条件分岐に三項演算子や中間式にconstexprを使うことで回避できることが多い。 このような複雑なメタ関数には単体テストは必須である。

    //  example/template/test_class.h 3

    class test_class_exits_put_to {
    public:
        test_class_exits_put_to(int i = 0) noexcept : i_{i} {}
        int get() const noexcept { return i_; }

    private:
        int i_;
    };

    inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, test_class_exits_put_to const& p)
    {
        return os << p.get();
    }

    class test_class_not_exits_put_to {};
    //  example/template/nstd_put_to_ut.cpp 31

    static_assert(enable_range_put_to_v<int[3]>);                         // Nstd::operator<<
    static_assert(!enable_range_put_to_v<char[3]>);                       // std::operator<<
    static_assert(!enable_range_put_to_v<int>);                           // std::operator<<
    static_assert(enable_range_put_to_v<std::vector<int>>);               // Nstd::operator<<
    static_assert(enable_range_put_to_v<std::vector<std::vector<int>>>);  // Nstd::operator<<
    static_assert(!enable_range_put_to_v<std::string>);                   // std::operator<<
    static_assert(enable_range_put_to_v<std::vector<std::string>>);       // Nstd::operator<<

    static_assert(!enable_range_put_to_v<test_class_not_exits_put_to>);  // operator<<無し
    static_assert(!enable_range_put_to_v<test_class_exits_put_to>);  // ユーザ定義operator<<
    static_assert(
        !enable_range_put_to_v<std::vector<test_class_not_exits_put_to>>);       // operator<<無し
    static_assert(enable_range_put_to_v<std::vector<test_class_exits_put_to>>);  // Nstd::operator<<
    static_assert(
        !enable_range_put_to_v<std::list<test_class_not_exits_put_to>>);       // operator<<無し
    static_assert(enable_range_put_to_v<std::list<test_class_exits_put_to>>);  // Nstd::operator<<

以上によりstd::enable_ifの第1引数に渡す値(enable_range_put_to_vはconstexpr)が用意できたので、 Nstd::operator<<は下記のように定義できる。

    //  example/template/nstd_put_to.h 64

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    template <size_t N>
    constexpr std::string_view range_put_to_sep() noexcept
    {
        static_assert(N != 0);
        switch (N) {
        case 1:
            return ", ";
        case 2:
            return " | ";
        case 3:
        default:
            return " # ";
        }
    };

    template <typename T>
    concept range_put_to = Inner_::enable_range_put_to_v<T>;
    }  // namespace Inner_

    template <typename T>
    auto operator<<(std::ostream& os, T const& t) ->
        typename std::enable_if_t<Inner_::enable_range_put_to_v<T>, std::ostream&>
    // std::enable_if_t<Inner_::enable_range_put_to_v<T>を使わずに上のrange_put_toを使いたいが、
    // コンパイラのバグによりコンパイルできない
    {
        auto sep = std::string_view("");
        auto s   = Inner_::range_put_to_sep<ValueType<T>::Nest>();

        for (auto const& i : t) {
            os << std::exchange(sep, s) << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace Nstd

値表示用のセパレータに”,“のみを用いるとコンテナや配列が多次元(ValueType::Nest > 2)の場合、 各次元でのデータの判別が難しくなるため、ValueType::Nestの値によってセパレータの種類を変える range_put_to_sep<>()を用意した。 下記単体テストでわかる通り、この効果により値の構造が見やすくなっている。

まずは、配列の単体テストを示す。

    //  example/template/nstd_put_to_ut.cpp 113

    using namespace Nstd;
    {
        char str[] = "abcdef";
        auto oss   = std::ostringstream{};

        oss << str;  // std::operator<<
        ASSERT_EQ(str, oss.str());
    }
    {
        char str[2][4] = {"abc", "def"};
        auto oss       = std::ostringstream{};

        oss << str;  // Nstd::operator<<
        ASSERT_EQ("abc | def", oss.str());
    }
    {
        test_class_exits_put_to p1[3]{1, 2, 3};
        auto                    oss = std::ostringstream{};

        oss << p1;  // Nstd::operator<<
        ASSERT_EQ("1, 2, 3", oss.str());
    }
    {
        char const* str[] = {"abc", "def", "ghi"};
        auto        oss   = std::ostringstream{};

        oss << str;  // Nstd::operator<<
        ASSERT_EQ("abc, def, ghi", oss.str());
    }
    {
        int  v[2][3][2]{{{0, 1}, {2, 3}, {4, 5}}, {{6, 7}, {8, 9}, {10, 11}}};
        auto oss = std::ostringstream{};

        oss << v;
        ASSERT_EQ("0, 1 | 2, 3 | 4, 5 # 6, 7 | 8, 9 | 10, 11", oss.str());
    }

次に、コンテナの単体テストを示す。

    //  example/template/nstd_put_to_ut.cpp 170

    using namespace Nstd;
    {
        auto v   = std::vector<int>{1, 2, 3};
        auto oss = std::ostringstream{};

        oss << v;
        ASSERT_EQ("1, 2, 3", oss.str());
    }
    {
        auto p1  = std::list<test_class_exits_put_to>{1, 2, 3, 4};
        auto oss = std::ostringstream{};

        oss << p1;
        ASSERT_EQ("1, 2, 3, 4", oss.str());
    }
    {
        std::vector<int> v[2]{{1, 2}, {3, 4, 5}};  // std::vectorの配列
        auto             oss = std::ostringstream{};

        oss << v;
        ASSERT_EQ("1, 2 | 3, 4, 5", oss.str());
    }

最後に、Nstd::SafeIndexの単体テストを示す。

    //  example/template/nstd_put_to_ut.cpp 220

    {
        auto sal_s = Nstd::SafeArray<std::string, 4>{"1", "2", "3"};
        auto oss   = std::ostringstream{};

        oss << sal_s;
        ASSERT_EQ("1 | 2 | 3 | ", oss.str());
    }
    {
        auto sv
            = Nstd::SafeVector<Nstd::SafeArray<Nstd::SafeString, 2>>{{"ab", "cd"}, {"ef", "gh"}};
        auto oss = std::ostringstream{};

        oss << sv;
        ASSERT_EQ("ab | cd # ef | gh", oss.str());
    }

Nstdライブラリの開発3(浮動小数点関連)

浮動小数点型を頻繁に使用するソフトウェアの開発を行うに場合、 ソースコードの中で、場当たり的に浮動小数点型を使用すると、 浮動小数点の誤差浮動小数点の演算エラー にまつわるバグの修正に多くの工数をロスしてしまうことになる。

これらの課題に対処するため、この節は浮動小数点演算によるバグを未然に防ぎ、 精度を確保するための機能を提供することを目的としている。 浮動小数点の比較方法や、 浮動小数点を避けて高精度な演算を実現する固定小数点クラスおよび有理数クラスを導入し、 さらにそれらを簡単に使用できるリテラル表記もサポートしている。

浮動小数点の比較

浮動小数点の演算には下記に示したような問題が起こり得るため、単純な==の比較はできない。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 9

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    ASSERT_FALSE(0.05F == a + b);  // a + b == 0.05Fは一般には成立しない。

この問題に対処するのが以下のコードである。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 17

    float epsilon  = std::abs(0.05F - (a + b));
    bool  is_equal = epsilon <= std::numeric_limits<float>::epsilon();
    ASSERT_TRUE(is_equal);

単なる浮動小数変数の比較にこのようなコードを書くのは間違えやすいし、非効率であるため、 下記のような関数(float用とdouble用)で対処することが一般的である。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 25

    namespace Nstd {

    /// @brief float比較用関数
    bool is_equal_f(float lhs, float rhs) noexcept
    {
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<float>::epsilon();
    }

    /// @brief double比較用関数
    bool is_equal_d(double lhs, double rhs) noexcept
    {
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<double>::epsilon();
    }

実際に使う場面を以下に示す。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 44

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    // floatの比較はis_equal_fのような関数を使う。
    bool is_equal = Nstd::is_equal_f(0.05F, a + b);
    ASSERT_TRUE(is_equal);

一見これで万事うまくいくように見えるが、そうは行かないことを以下の例で示す。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 59

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    // a + bはfloatの精度のまま、is_equal_dの引数の型であるdoubleに昇格される。
    // 一方、0.05はdoubleであるため(循環小数をdoubleの精度で切り捨てた値であるため)、
    // a + b(floatの精度の値)と0.05の差はdoubleのepsilonを超える。
    //  ASSERT_TRUE(is_equal_d(0.05, a + b));  // NG
    ASSERT_FALSE(Nstd::is_equal_d(0.05, a + b));

dobuleとfloatを1つの式に混載するとfloatがdoubleに昇格されるため、このような問題が起こり得る。 これに対処する方法を以下に示す。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 74

    namespace Nstd {
    // is_equal_dを改良して、引数の型が統一されていない呼び出しをコンパイルエラーにできるようにした。
    /// @brief 浮動小数点比較用関数
    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs) noexcept
    {
        static_assert(std::is_floating_point_v<FLOAT_0>);
        static_assert(std::is_same_v<FLOAT_0, FLOAT_1>);

        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }
    }  // namespace Nstd

この関数のテストは以下の通りである。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 91

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    // a + bはfloatであり、0.05はdoubleであるため、下記コードはコンパイルできない。
    // ASSERT_TRUE(Nstd::is_equal(0.05, a + b));
    ASSERT_TRUE(Nstd::is_equal(0.05F, a + b));  // OK リテラルに型を指定して、引数の型を統一

通常の浮動小数の比較は相対誤差を指定できる必要性がある場合が多いため、 さらに下記のように拡張変更した。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 106

    /// @brief 浮動小数点比較用関数
    /// 相対誤差を考慮して、lhs と rhs の絶対値に基づくトレランスの範囲内での比較を行う。
    /// これにより、数値の大小に関わらず、適切な誤差で比較できる。
    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs,
                  FLOAT_0 tolerance = std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon()) noexcept
    {
        static_assert(std::is_floating_point_v<FLOAT_0>);
        static_assert(std::is_same_v<FLOAT_0, FLOAT_1>);

        return std::abs(lhs - rhs) <= tolerance * std::max(std::abs(lhs), std::abs(rhs));
    }

この関数のテストは以下の通りである。

    //  example/template_cpp17/nstd_float_ut.cpp 125

    float a = 1000000.0F;
    float b = 1000000.1F;

    ASSERT_FALSE(Nstd::is_equal(a, b));       // a, bはほぼ同じだが。
    ASSERT_TRUE(Nstd::is_equal(a, b, 0.1F));  // 相対誤差を指定できる。

固定小数点クラス

以上で見てきたように浮動小数点の扱いはやや面倒であるため、 浮動小数点のダイナミックレンジが必要な場合以外では安易に浮動小数点を使うべきでない。

従って、intやlong等のダイナミックレンジで表現できる1未満の値が必要な場合、 intやlongの値を100倍などのスケーリングして使うのが、浮動小数点の微妙な問題を避ける手段となる。 スケーリングとは、 整数型変数変数のスケーリングとは、intやlongの値を、 特定の倍率で拡大することで小数点以下の値を扱う方法を指す。 例えば、100倍にスケーリングして「1.23」を「123」として整数で表現するようする。 この方法は浮動小数点の代わりに使えるが、 スケーリング値を常に意識する必要があり、コードの可読性や保守性に影響を与える問題がある。

以下に示す固定小数点クラス(FixedPoint)はこれらの問題を解決できる。

    //  example/template_cpp17/fixed_point.h 7

    namespace Nstd {
    /// @brief BASIC_TYPEで指定する基本型のビット長を持つ固定小数点を扱うためのクラス
    /// @tparam BASIC_TYPE       全体のビット長や、符号を指定するための整数型
    /// @tparam FRACTION_BIT_NUM 小数点保持のためのビット長
    template <typename BASIC_TYPE, uint32_t FRACTION_BIT_NUM>
    class FixedPoint {
    public:
        constexpr FixedPoint(BASIC_TYPE                                integer  = 0,
                             typename std::make_unsigned_t<BASIC_TYPE> fraction = 0) noexcept
            : value_{get_init_value(integer, fraction)}
        {
            // signedに対する右ビットシフトの仕様が、算術右ビットシフトでないと
            // このクラスは成立しない。下記のstatic_assertはその確認。
            static_assert(IsSigned() ? (-1 >> 1 == -1) : true, "need logical right bit sift");

            // BASIC_TYPEをcharにすることは認めない。
            static_assert(!std::is_same_v<BASIC_TYPE, char>, "BASIC_TYPE should not be char");
        }

        // 以下、特殊メンバ定義
        ~FixedPoint()                                = default;
        FixedPoint(FixedPoint const&)                = default;
        FixedPoint& operator=(FixedPoint const&)     = default;
        FixedPoint(FixedPoint&&) noexcept            = default;
        FixedPoint& operator=(FixedPoint&&) noexcept = default;

        // 以下、インターフェース定義
        constexpr BASIC_TYPE GetValue() const noexcept { return value_; }
        constexpr BASIC_TYPE GetInteger() const noexcept { return value_ >> fraction_bit_num_; }
        constexpr BASIC_TYPE GetFraction() const noexcept { return value_ & fraction_bit_mask_; }

        /// @brief doubleに変換する
        constexpr double ToFloatPoint() const noexcept
        {
            return GetInteger() + (static_cast<double>(GetFraction()) / (fraction_bit_mask_ + 1));
        }

        /// @brief 小数部のビット長を返す
        constexpr typename std::make_unsigned_t<BASIC_TYPE> GetFractionMask() const noexcept
        {
            return fraction_bit_mask_;
        }

        /// @brief 整数部のビット長を返す
        constexpr typename std::make_unsigned_t<BASIC_TYPE> GetIntegerMask() const noexcept
        {
            return integer_bit_mask_;
        }

        static constexpr bool IsSigned() noexcept { return std::is_signed_v<BASIC_TYPE>; }

        static constexpr bool IsUnsigned() noexcept { return std::is_unsigned_v<BASIC_TYPE>; }

        /// @brief    以下operator @=の定義
        FixedPoint& operator+=(FixedPoint rhs) noexcept
        {
            value_ += rhs.value_;
            return *this;
        }

        FixedPoint& operator-=(FixedPoint rhs) noexcept
        {
            value_ -= rhs.value_;
            return *this;
        }

        FixedPoint& operator*=(FixedPoint rhs) noexcept
        {
            value_ *= rhs.value_ >> fraction_bit_num_;
            return *this;
        }

        FixedPoint& operator/=(FixedPoint rhs) noexcept
        {
            using T = std::conditional_t<IsSigned(), int64_t, uint64_t>;

            value_ = (static_cast<T>(value_) << fraction_bit_num_) / rhs.value_;

            return *this;
        }

    private:
        BASIC_TYPE value_;  // FixedPointの実際の値

        static constexpr uint32_t bit_mask(uint32_t bit_len) noexcept
        {
            if (bit_len == 0) {
                return 0x0;
            }

            return bit_mask(bit_len - 1) | (0x01 << (bit_len - 1));
        }

        static constexpr uint32_t fraction_bit_num_{FRACTION_BIT_NUM};
        static constexpr uint32_t fraction_bit_mask_{bit_mask(fraction_bit_num_)};
        static constexpr uint32_t integer_bit_num_{sizeof(BASIC_TYPE) * 8 - FRACTION_BIT_NUM};
        static constexpr uint32_t integer_bit_mask_{bit_mask(integer_bit_num_) << fraction_bit_num_};

        static constexpr BASIC_TYPE get_init_value(BASIC_TYPE integer, BASIC_TYPE fraction) noexcept
        {
            // 本来は左シフト<<を使いたいが、signedに対しての<<ランタイム実装依存であるので、
            // return (integer << fraction_bit_num_) | fraction;

            return (integer * (fraction_bit_mask_ + 1)) | fraction;
        }

        /// 以下比較演算子の定義

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        friend auto operator<=>(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept = default;

    #else  // c++17
        friend bool operator==(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            return lhs.value_ == rhs.value_;
        }

        friend bool operator!=(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept { return !(lhs == rhs); }

        friend bool operator>(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            return lhs.value_ > rhs.value_;
        }

        friend bool operator>=(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            return (lhs > rhs) || (lhs == rhs);
        }

        friend bool operator<(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept { return (rhs > lhs); }

        friend bool operator<=(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            return (lhs < rhs) || (lhs == rhs);
        }
    #endif

        /// @brief FixedPoint() + intのようなオーバーロードを作るためにあえてfriend
        friend FixedPoint operator+(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            lhs += rhs;
            return lhs;
        }

        friend FixedPoint operator-(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            lhs -= rhs;
            return lhs;
        }

        friend FixedPoint operator*(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            lhs *= rhs;
            return lhs;
        }

        friend FixedPoint operator/(FixedPoint lhs, FixedPoint rhs) noexcept
        {
            lhs /= rhs;
            return lhs;
        }
    };

FixedPointの単体テストコードを以下に示す。

    //  example/template_cpp17/fixed_point_ut.cpp 21

    // 以下は、FixedPoint<>の使用例である。
    using FP4 = Nstd::FixedPoint<uint8_t, 4>;  // 基本型uint8_t、小数点4ビット
    auto fp0  = FP4{};

    ASSERT_FALSE(fp0.IsSigned());
    ASSERT_TRUE(fp0.IsUnsigned());

    fp0 = 7;    ASSERT_EQ(7, fp0);
    fp0 = 7;    ASSERT_NE(6, fp0);
    fp0 += 2;   ASSERT_EQ(FP4{9}, fp0);         
                ASSERT_DOUBLE_EQ(9.0, fp0.ToFloatPoint());
    fp0 /= 2;   ASSERT_EQ((FP4{4, 8}), fp0);    
                ASSERT_DOUBLE_EQ(4.5, fp0.ToFloatPoint());
    fp0 /= 2;   ASSERT_EQ((FP4{2, 4}), fp0);    
                ASSERT_DOUBLE_EQ(2.25, fp0.ToFloatPoint());
    fp0 *= 4;   ASSERT_EQ(FP4{9}, fp0);
    fp0 += 7;   ASSERT_EQ(FP4{0}, fp0);

固定小数点リテラル

固定小数点クラスのようなクラス定義には、以下に示すようにユーザ定義リテラルを定義し、 使い勝手のよい環境をユーザに提供するべきである。

    //  example/template_cpp17/fixed_point.h 175

    namespace Nstd {
    namespace fixed_point_literals {
    // FixedPoint<int32_t, 8> 用のユーザ定義リテラル
    FixedPoint<int32_t, 8> operator"" _fxp(unsigned long long int val)
    {
        // 整数部分を取り、FixedPoint<int32_t, 8>のインスタンスを作成
        return FixedPoint<int32_t, 8>(static_cast<int32_t>(val));
    }

    FixedPoint<int32_t, 8> operator"" _fxp(long double val)
    {
        // 浮動小数点数からFixedPoint<int32_t, 8>のインスタンスを作成
        int32_t integer_part  = static_cast<int32_t>(val);
        int32_t fraction_part = static_cast<int32_t>((val - integer_part) * 256);  // 2^8 = 256
        return FixedPoint<int32_t, 8>(integer_part, fraction_part);
    }
    }  // namespace fixed_point_literals
    }  // namespace Nstd

以上のコードの単体テストを以下に示す。これにより使用方も明らかになるだろう。

    //  example/template_cpp17/fixed_point_ut.cpp 171

    using namespace Nstd::fixed_point_literals;

    auto a = 123_fxp;  // 整数リテラル

    EXPECT_EQ(a.GetInteger(), 123);
    EXPECT_EQ(a.GetFraction(), 0);  // 小数部は0のはず

    auto b      = 50.25_fxp;
    auto result = a + b;

    EXPECT_NEAR(result.ToFloatPoint(), 173.25, 0.01);

有理数クラス

固定小数点クラスでは精度が足りず、浮動小数点を使用したくない場合、 以下のコードで示す有理数クラスがちょうどよい選択となることがある。

    //  example/template_cpp17/rational.h 10

    namespace Nstd {
    /// @brief ユーザー指定の型で分数を扱うためのクラス
    /// @tparam T 基本の整数型(デフォルトはint32_t)
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    template <std::signed_integral T = int32_t>
    #else  // c++17
    template <typename T = int32_t>
    #endif
    class Rational {
    public:
        using underlying_type_t = T;
        /// @brief コンストラクタ
        /// @param num 分子
        /// @param deno 分母
        constexpr Rational(T num, T deno = 1) : value_{reduce(num, deno)} {}
        T getNumerator() const noexcept { return value_.num; }
        T getDenominator() const noexcept { return value_.deno; }
        /// @brief 2項演算子(四則演算)の定義
        Rational operator+(const Rational& rhs) const noexcept
        {
            T num  = value_.num * rhs.value_.deno + rhs.value_.num * value_.deno;
            T deno = value_.deno * rhs.value_.deno;
            return Rational{num, deno};
        }
        Rational operator-(const Rational& rhs) const noexcept
        {
            T num  = value_.num * rhs.value_.deno - rhs.value_.num * value_.deno;
            T deno = value_.deno * rhs.value_.deno;
            return Rational{num, deno};
        }
        Rational operator*(const Rational& rhs) const noexcept
        {
            return Rational{value_.num * rhs.value_.num, value_.deno * rhs.value_.deno};
        }
        Rational operator/(const Rational& rhs) const noexcept
        {
            return Rational(value_.num * rhs.value_.deno, value_.deno * rhs.value_.num);
        }
        /// @brief 複合代入演算子(四則演算)の定義
        Rational& operator+=(Rational const& rhs)
        {
            *this = *this + rhs;
            return *this;
        }
        Rational& operator-=(Rational const& rhs)
        {
            *this = *this - rhs;
            return *this;
        }
        Rational& operator*=(Rational const& rhs)
        {
            *this = *this * rhs;
            return *this;
        }
        Rational& operator/=(Rational const& rhs)
        {
            *this = *this / rhs;
            return *this;
        }
        /// @brief 単項演算子の定義
        constexpr Rational operator+() const noexcept { return *this; }
        constexpr Rational operator-() const noexcept { return Rational{-value_.num, value_.deno}; }
        /// @brief 比較演算子の定義
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        friend bool operator==(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept = default;
        friend auto operator<=>(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept
        {
            return (lhs.value_.num * rhs.value_.deno) <=> (rhs.value_.num * lhs.value_.deno);
        }

    #else  // c++17
        friend bool operator==(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept
        {
            return (lhs.value_.num * rhs.value_.deno) == (rhs.value_.num * lhs.value_.deno);
        }
        friend bool operator!=(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept
        {
            return !(lhs == rhs);
        }
        friend bool operator<(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept
        {
            return (lhs.value_.num * rhs.value_.deno) < (rhs.value_.num * lhs.value_.deno);
        }
        friend bool operator<=(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept
        {
            return !(rhs < lhs);
        }
        friend bool operator>(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept { return rhs < lhs; }
        friend bool operator>=(Rational const& lhs, Rational const& rhs) noexcept
        {
            return !(lhs < rhs);
        }
    #endif
        /// @brief put-to演算子の定義
        friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Rational& rhs)
        {
            return (rhs.value_.deno == 1) ? os << rhs.value_.num
                                          : os << rhs.value_.num << "/" << rhs.value_.deno;
        }

        /// @brief doubleへの変換演算子
        /// @brief doubleで表現可能な場合のみ利用可能
        template <typename U = T>
        explicit operator double() const noexcept
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
            requires std::is_convertible_v<U, double>
    #endif
        {
            return static_cast<double>(value_.num) / static_cast<double>(value_.deno);
        }

    private:
        struct rational_t {
            T num;
            T deno;

    #if __cplusplus >= 202002  // c++20
            friend bool operator==(rational_t const& lhs, rational_t const& rhs) noexcept = default;

    #else  // c++17
            friend bool operator==(rational_t const& lhs, rational_t const& rhs) noexcept
            {
                return lhs.num == rhs.num && lhs.deno == rhs.deno;
            }
    #endif
        };
        /// @brief num/denoを約分して、rational_tで返す
        static rational_t reduce(T num, T deno) noexcept
        {
            T const gcd = std::gcd(num, deno);
            num /= gcd;
            deno /= gcd;
            if (deno < 0) {  // 分母を正に保つ
                return {-num, -deno};
            }
            else {
                return {num, deno};
            }
        }

    private:
        rational_t value_;
    };
    }  // namespace Nstd
    //  example/template_cpp17/rational_ut.cpp 12

    auto       r1    = Rational{1, 2};
    const auto r1_sv = r1;
    auto       r2    = Rational{1, 3};

    ASSERT_GE(r1, r2);

    r1 += r2;  // operator+
    ASSERT_EQ((Rational{5, 6}), r1);
    r1 = r1_sv;

    r1 -= r2;
    ASSERT_EQ((Rational{1, 6}), r1);
    r1 = r1_sv;

    auto oss = std::ostringstream{};
    oss << r1;
    ASSERT_EQ("1/2", oss.str());  // operator<<

有理数リテラル

固定小数点クラスに対して、固定小数点リテラルを定義したように、 使い勝手のよい環境をユーザに提供するために、 有理数クラスに対して、有理数リテラルを定義するべきである。

    //  example/template_cpp17/rational.h 157

    namespace Nstd {
    /// @brief Rational<int32_t>をユーザ定義リテラルとして扱うためのオペレータ
    ///        _rn: rational number
    ///  @param N/Mの形式の文字列リテラル
    Rational<int32_t> operator"" _rn(char const* str, size_t)
    {
        std::string_view input{str};
        size_t           sep = input.find('/');

        if (sep == std::string::npos) {
            throw std::invalid_argument("invalid formt for user-defined rational number");
        }

        int32_t num  = std::stoi(str);
        int32_t deno = std::stoi(input.substr(sep + 1).data());

        return {num, deno};
    }
    }  // namespace Nstd
    //  example/template_cpp17/rational_ut.cpp 55

    auto r1 = "1/2"_rn;
    auto r2 = "1/3"_rn;

    ASSERT_GE(r1, r2);
    ASSERT_DOUBLE_EQ(static_cast<double>(r1), 0.5);

ログ取得ライブラリの開発2

ログ取得ライブラリでの問題は「Logging名前空間が依存してよい名前空間」に

    //  example/template/app_ints.h 6

    namespace App {
    using Ints_t = std::vector<int>;
    }

のようなコンテナに共通したoperator<<を定義することで解決する。 それは 「コンテナ用Nstd::operator<<の開発」で示したコードそのものであるため、 これを使い、問題を解決したログ取得ライブラリを以下に示す。

    //  example/template/logger.h 7

    namespace Logging {
    class Logger {
    public:
        static Logger&       Inst();
        static Logger const& InstConst() { return Inst(); }

        std::string Get() const;  // ログデータの取得
        void        Clear();      // ログデータの消去

        template <typename... ARGS>  // ログの登録
        void Set(char const* filename, uint32_t line_no, ARGS const&... args)
        {
            oss_.width(32);
            oss_ << filename << ":";

            oss_.width(3);
            oss_ << line_no;

            set_inner(args...);
        }

        Logger(Logger const&)            = delete;
        Logger& operator=(Logger const&) = delete;

    private:
        void set_inner() { oss_ << std::endl; }

        template <typename HEAD, typename... TAIL>
        void set_inner(HEAD const& head, TAIL const&... tails)
        {
            using Nstd::operator<<;  // Nstd::operator<<もname lookupの対象にする

            oss_ << ":" << head;
            set_inner(tails...);
        }

        Logger() {}
        std::ostringstream oss_{};
    };
    }  // namespace Logging

    #define LOGGER_P(...) Logging::Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__)
    #define LOGGER(...) Logging::Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__, __VA_ARGS__)

問題のあったコードとの差分は、メンバ関数テンプレートset_innerの

    //  example/template/logger.h 40

    using Nstd::operator<<;  // Nstd::operator<<もname lookupの対象にする

のみである。実際に解決できたことを以下の単体テストで示す。

    //  example/template/logger_0_ints_ut.h 8

    auto ints = App::Ints_t{1, 2, 3};

    LOGGER("Ints", ints);
    auto line_num = __LINE__;

    auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

    auto exp = std::string{log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":Ints:1, 2, 3\n")};
    ASSERT_EQ(exp, s);

また、

    //  example/template/app_ints.h 12

    namespace App {

    class X {
    public:
        X(std::string str, int num) : str_{std::move(str)}, num_{num} {}
        std::string ToString() const { return str_ + "/" + std::to_string(num_); }
        ...
    };
    }  // namespace App

のように定義されたクラスも、

    //  example/template/app_ints.h 28

    namespace App {

    inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, X const& x) { return os << x.ToString(); }
    }  // namespace App

のような型専用のoperator<<があれば、そのオブジェクトのみではなく、 コンテナや配列に対しても下記のようにログ取得が可能となる。

    //  example/template/logger_ut.cpp 37

    using namespace Nstd;

    auto         x  = App::X{"name", 3};
    auto         lx = std::list<App::X>{{"lx3", 3}, {"lx4", 1}};
    App::X const x3[3]{{"x0", 0}, {"x1", 1}, {"x2", 2}};

    LOGGER(1, x, x3, lx);
    auto line_num = __LINE__;

    auto s = Logging::Logger::InstConst().Get();

    auto const exp
        = log_str_exp(__FILE__, line_num - 1, ":1:name/3:x0/0, x1/1, x2/2:lx3/3, lx4/1\n");
    ASSERT_EQ(exp, s);

Nstdライブラリの開発」で示した依存関係も維持されており、 これでログ取得ライブラリは完成したと言って良いだろう。

その他のテンプレートテクニック

ここでは、これまでの議論の対象にならなかったテンプレートのテクニックや注意点について記述する。

ユニバーサルリファレンスとstd::forward

2個の文字列からstd::vector<std::string>を生成する下記のような関数について考える。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 9

    std::vector<std::string> gen_vector(std::string const& s0, std::string const& s1)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        ret.push_back(s0);
        ret.push_back(s1);

        return ret;
    }

これは下記のように動作する。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 25

    auto a = std::string{"a"};
    auto b = std::string{"b"};

    auto v = gen_vector(a, std::move(b));

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "b"}), v);
    ASSERT_EQ("a", a);
    ASSERT_EQ("b", b);  // bはmoveされない

このコードは正しく動作するものの、move代入できず、パフォーマンス問題を引き起こす可能性があるため、 ユニバーサルリファレンスを使って下記のように書き直した。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 41

    template <typename STR0, typename STR1>
    std::vector<std::string> gen_vector(STR0&& s0, STR1&& s1)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        ret.push_back(s0);
        ret.push_back(s1);

        return ret;
    }

残念ながら、このコードは意図したようには動作せず、下記に示した通り相変わらずmove代入ができない。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 58

    auto a = std::string{"a"};
    auto b = std::string{"b"};

    auto v = gen_vector(a, std::move(b));

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "b"}), v);
    ASSERT_EQ("a", a);
    ASSERT_EQ("b", b);  // bはmoveされない

この原因は、 「関数が受け取ったrvalueリファレンスは、 その関数から別の関数に受け渡される時にlvalueリファレンスとして扱われる」からである。

この現象について下記の関数テンプレートを用いて解説を行う。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 71

    enum class ExpressionType { Lvalue, Rvalue };

    template <typename T>
    constexpr ExpressionType universal_ref2(T&& t)
    {
        return std::is_lvalue_reference_v<decltype(t)> ? ExpressionType::Lvalue
                                                       : ExpressionType::Rvalue;
    }

    // std::pair<>::first  : universal_refの中のtのExpressionType
    // std::pair<>::second : universal_ref2の中でtのExpressionType
    template <typename T>
    constexpr std::pair<ExpressionType, ExpressionType> universal_ref(T&& t)
    {
        return std::make_pair(
            std::is_lvalue_reference_v<decltype(t)> ? ExpressionType::Lvalue : ExpressionType::Rvalue,
            universal_ref2(t));
    }

下記に示した通り、universal_refとuniversal_ref2のパラメータが同じ型であるとは限らない。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 96

    auto i = 0;

    constexpr auto p = universal_ref(i);
    static_assert(universal_ref2(i) == ExpressionType::Lvalue);            // iはlvalue
    static_assert(p.first == ExpressionType::Lvalue);                      // universal_refの引数はlvalue
    static_assert(p.second == ExpressionType::Lvalue);                     // universal_ref中のuniversal_ref2の引数はlvalue

    constexpr auto pm = universal_ref(std::move(i));                       // universal_refの引数はrvalue
    static_assert(universal_ref2(std::move(i)) == ExpressionType::Rvalue); // universal_ref2の引数はrvalue
    static_assert(pm.first == ExpressionType::Rvalue);                     // universal_refの引数はrvalue
    static_assert(pm.second == ExpressionType::Lvalue);                    // universal_ref中のuniversal_ref2の引数はrvalue

    constexpr auto pm2 = universal_ref(int{});
    static_assert(universal_ref2(int{}) == ExpressionType::Rvalue);        // universal_ref2の引数はrvalue
    static_assert(pm2.first == ExpressionType::Rvalue);                    // universal_refの引数はrvalue
    static_assert(pm2.second == ExpressionType::Lvalue);                   // universal_ref中のuniversal_ref2の引数はrvalue

この問題はstd::forwardにより対処できる。これによって改良されたコードを下記に示す。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 124

    template <typename STR0, typename STR1>
    std::vector<std::string> gen_vector(STR0&& s0, STR1&& s1)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        ret.push_back(std::forward<STR0>(s0));
        ret.push_back(std::forward<STR1>(s1));

        return ret;
    }

下記単体テストが示す通り、rvalueリファレンスはmove代入され、lvalueリファレンスはcopy代入されている。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 142

    auto a = std::string{"a"};
    auto b = std::string{"b"};

    auto v = gen_vector(a, std::move(b));

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "b"}), v);
    ASSERT_EQ("a", a);
    ASSERT_EQ("", b);  // bはmoveされた

しかし残念ながら、このコードにも改良すべき点がある。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 155

    auto a = std::string{"a"};

    auto v = gen_vector(a, "b");

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "b"}), v);
    ASSERT_EQ("a", a);

上記の”b”のような文字列リテラルを引数にした場合、 それをstd::vector<std::string>::push_backに渡した時に、 “b”はテンポラリオブジェクトstd::string(“b”)のに変換されてしまう。 std::vector<std::string>へのオブジェクトの挿入は、文字列リテラルから行うことが出来るため、 このテンポラリオブジェクトの生成は明らかに不要な処理である。

下記は、この対策を施すとともに任意の数の引数を受け取れるように改良したコードである。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 171

    void emplace_back(std::vector<std::string>&) {}

    template <typename HEAD, typename... TAIL>
    void emplace_back(std::vector<std::string>& strs, HEAD&& head, TAIL&&... tails)
    {
        strs.emplace_back(std::forward<HEAD>(head));

        if constexpr (sizeof...(tails) != 0) {
            emplace_back(strs, std::forward<TAIL>(tails)...);
        }
    }

    template <typename... STR>
    std::vector<std::string> gen_vector(STR&&... ss)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        emplace_back(ret, std::forward<STR>(ss)...);

        return ret;
    }

上記の

    sizeof...(tails)

はパラメータパックの個数を受け取るための記法である。 従ってこのコードではすべてのパラメータパック変数を消費するまでリカーシブコールを続けることになる (が、このリカーシブコールはコンパイル時に行われるため、実行時の速度低下は起こさない)。

上記の

    std::forward<TAIL>(tails)...

は、それぞれのパラメータパック変数をstd::forwardに渡した戻り値を、 再びパラメータパックにするための記法である。

このコードは下記の単体テストが示すように正しく動作する (が、残念ならがテンポラリオブジェクトが生成されていないことを単体テストで証明することはできない)。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 197

    auto a = std::string{"a"};
    auto b = std::string{"b"};

    auto v = gen_vector(a, std::move(b), "c");

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "b", "c"}), v);
    ASSERT_EQ("a", a);
    ASSERT_EQ("", b);  // bはmoveされた

上記のgen_vectorはリカーシブコールを使って実装したが、 畳み込み式を使用した下記の実装の方がより明確である。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 211

    template <typename... STR>
    std::vector<std::string> gen_vector(STR&&... ss)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        (ret.emplace_back(std::forward<STR>(ss)), ...);

        return ret;
    }

ユニバーサルリファレンスはconstにすることができないが (T const&&はconstなrvalueリファレンスである)、 ユニバーサルリファレンスがlvalueリファレンスであった場合は、 constなlvalueリファレンスとして扱うべきである。

従って、下記のようなコードは書くべきではない。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 240

    template <typename STR0, typename STR1>
    std::vector<std::string> gen_vector(STR0&& s0, STR1&& s1)
    {
        auto ret = std::vector<std::string>{};

        ret.push_back(std::move(s0));
        ret.push_back(std::move(s1));

        return ret;
    }

もしそのようにしてしまえば、 下記単体テストが示すように非constな実引数はmoveされてしまうことになる。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 257

    auto       a = std::string{"a"};
    auto const b = std::string{"b"};

    auto v = gen_vector(a, std::move(b));

    ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "b"}), v);
    ASSERT_EQ("", a);   // aはmoveされてしまう
    ASSERT_EQ("b", b);  // bはconstなのでmoveされない

任意の型Tのrvalueのみを引数に取る関数テンプレートを下記のように記述した場合、 すでに述べたように引数はユニバーサルリファレンスとなってしまうため、lvalueにもバインドしてしまう。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 273

    template <typename T>
    void f(T&& t) noexcept
    {
        ...
    }

このような場合、下記の記述が必要になる。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 292

    template <typename T>
    void f(T&) = delete;

この効果により、下記に示した通りlvalueにはバインドできなくなり、 当初の目的通り、rvalueのみを引数に取る関数テンプレートが定義できたことになる。

    //  example/template_cpp17/universal_ref_ut.cpp 300

    auto s = std::string{};

    // f(s);           // f(std::string&)はdeleteされたため、コンパイルエラー
    f(std::string{});  // f(std::string&&)にはバインドできる

なお、ユニバーサルリファレンスは、リファレンスcollapsingの一機能としても理解できる。

ジェネリックラムダによる関数内での関数テンプレートの定義

下記のようなクラスとoperator<<があった場合を考える。

    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 13

    struct XYZ {
        XYZ(int ax, int ay, int az) noexcept : x{ax}, y{ay}, z{az} {}
        int x;
        int y;
        int z;
    };

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, XYZ const& xyz)
    {
        return os << std::to_string(xyz.x) + "/" + std::to_string(xyz.y) + "/" + std::to_string(xyz.z);
    }

Nstd::SafeIndexの開発」や「コンテナ用Nstd::operator<<の開発」 の成果物との組み合わせの単体テストは下記のように書けるだろう。

    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 31

    auto v   = Nstd::SafeVector<XYZ>{{9, 8, 7}, {6, 5, 4}, {3, 2, 1}, {0, 1, 2}};
    auto oss = std::ostringstream{};

    oss << v;
    ASSERT_EQ("9/8/7, 6/5/4, 3/2/1, 0/1/2", oss.str());

std::sortによるソートができるかどうかのテストは、C++11までは、

    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 41

    auto v = Nstd::SafeVector<XYZ>{{9, 8, 7}, {6, 5, 4}, {3, 2, 1}, {0, 1, 2}};

    // C++11 lambda                  型の明示が必要
    //                               ↓               ↓
    std::sort(v.begin(), v.end(), [](XYZ const& lhs, XYZ const& rhs) noexcept {
        return std::tie(lhs.x, lhs.y, lhs.z) < std::tie(rhs.x, rhs.y, rhs.z);
    });
    auto oss = std::ostringstream{};

    oss << v;
    ASSERT_EQ("0/1/2, 3/2/1, 6/5/4, 9/8/7", oss.str());

のように書くのが一般的だろう。ラムダ式の引数の型を指定しなければならないのは、 範囲for文でautoが使用出来ること等と比べると見劣りがするが、 C++14からは下記のコードで示した通り引数にautoが使えるようになった。

    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 57

    auto v = Nstd::SafeVector<XYZ>{{9, 8, 7}, {6, 5, 4}, {3, 2, 1}, {0, 1, 2}};

    // C++14 generic lambda          型の明示が不要
    //                               ↓                ↓
    std::sort(v.begin(), v.end(), [](auto const& lhs, auto const& rhs) noexcept {
        return std::tie(lhs.x, lhs.y, lhs.z) < std::tie(rhs.x, rhs.y, rhs.z);
    });
    auto oss = std::ostringstream{};

    oss << v;
    ASSERT_EQ("0/1/2, 3/2/1, 6/5/4, 9/8/7", oss.str());

この記法はジェネリックラムダと呼ばれる。 この機能により関数の中で関数テンプレートと同等のものが定義できるようになった。

ジェネリックラムダの内部構造

ジェネリックラムダは下記のように使用することができる。

    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 73

    template <typename PUTTO>
    void f(PUTTO&& p)
    {
        p(1);       // ラムダの引数elemの型はint
        p(2.71);    // ラムダの引数elemは型はdouble
        p("hehe");  // ラムダの引数elemは型はchar [5]
    }

    TEST(Template, generic_lambda)
    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        f([&oss](auto const& elem) { oss << elem << std::endl; });

        ASSERT_EQ("1\n2.71\nhehe\n", oss.str());
    }

この例で使用しているクロージャは一見、型をダイナミックに扱っているように見えるが、 下記のような「テンプレートoperator()を持つ関数型」オブジェクトとして展開されていると考えれば、 理解できる。

    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 92

    class Closure {
    public:
        Closure(std::ostream& os) : os_{os} {}

        template <typename T>
        void operator()(T&& t)
        {
            os_ << t << std::endl;
        }

    private:
        std::ostream& os_;
    };
    //  example/template_cpp17/generic_lambda_ut.cpp 111

    auto oss = std::ostringstream{};

    auto closure = Closure{oss};
    f(closure);

    ASSERT_EQ("1\n2.71\nhehe\n", oss.str());

std::variantとジェネリックラムダ

unionは、オブジェクトを全く無関係な複数の型に切り替えることができるため、 これが必要な場面では有用な機能であるが、未定義動作を誘発してしまう問題がある。 この対策としてC++17で導入されたものが、std::variantである。

まずは、std::variantの使用例を下記する。

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 13

    auto v = std::variant<int, std::string, double>{};  // 3つの型を切り替える

    // std::get<N>()の戻り値型は、下記の通りで、
    // N == 0, 1, 2 は、それぞれint, std::string, doubleに対応
    static_assert(std::is_same_v<decltype(std::get<0>(v)), int&>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(std::get<1>(v)), std::string&>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(std::get<2>(v)), double&>);

    v = int{3};  // int型の3を代入

    ASSERT_EQ(v.index(), 0);                                // intを保持
    ASSERT_EQ(std::get<0>(v), 3);                           // intなので問題なくアクセス
    ASSERT_THROW(std::get<1>(v), std::bad_variant_access);  // std::stringではないのでエクセプション
    ASSERT_THROW(std::get<2>(v), std::bad_variant_access);  // doubleではないのでエクセプション

    v = std::string{"str"};  // std::stringオブジェクトを代入

    ASSERT_EQ(v.index(), 1);                                // std::stringを保持
    ASSERT_THROW(std::get<0>(v), std::bad_variant_access);  // intではないのでエクセプション
    ASSERT_EQ(std::get<1>(v), std::string{"str"});  // std::stringなので問題なくアクセス
    ASSERT_THROW(std::get<2>(v), std::bad_variant_access);  // doubleではないのでエクセプション

上記からわかる通り、std::variantオブジェクトは、直前に代入されたオブジェクトの型以外で、 値を読み出した場合、問題なく読み出せるが、それ以外ではエクセプションを発生させる。

このstd::variantオブジェクトの保持する型とその値を文字列として取り出すラムダ式は、 下記のように書ける。

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 37

    auto oss = std::ostringstream{};

    // type_valueはvが保持する型をその値を文字列で返す
    auto type_value = [&oss](auto const& v) {  // ジェネリックラムダでなくても実装可能
        if (v.index() == 0) {
            auto a  = std::get<0>(v);
            using T = std::remove_const_t<std::remove_reference_t<decltype(a)>>;
            oss << Nstd::Type2Str<T>() << " : " << a;  // Nstd::Type2Str<T>はTの型を文字列にする
        }
        else if (v.index() == 1) {
            auto a  = std::get<1>(v);
            using T = std::remove_const_t<std::remove_reference_t<decltype(a)>>;
            oss << Nstd::Type2Str<T>() << " : " << a;  // Nstd::Type2Str<T>はTの型を文字列にする
        }
        else if (v.index() == 2) {
            auto a  = std::get<2>(v);
            using T = std::remove_const_t<std::remove_reference_t<decltype(a)>>;
            oss << Nstd::Type2Str<T>() << " : " << a;  // Nstd::Type2Str<T>はTの型を文字列にする
        }
        else {
            assert(false);  // ここには来ないはず
        }
    };

    v = 3;  // int型の3を代入
    type_value(v);
    ASSERT_EQ("int : 3", oss.str());
    oss = std::ostringstream{};  // ossのリセット

    v = std::string{"str"};  // std::stringオブジェクトを代入
    type_value(v);
    ASSERT_EQ("std::string : str", oss.str());
    oss = std::ostringstream{};  // ossのリセット

    v = 1.1;  // double型の1.1を代入
    type_value(v);
    ASSERT_EQ("double : 1.1", oss.str());

このラムダは、 3つの型をテンプレートパラメータとするstd::variantオブジェクト以外には適用できないため、 型の個数に制限のない方法を考える。

この実装は、

の2つによって下記のように行うことができる。

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 79

    template <typename VARIANT, typename F, size_t INDEX = 0>
    void org_visit(const F& f, const VARIANT& v)
    {
        constexpr auto n = std::variant_size_v<VARIANT>;

        if constexpr (INDEX < n) {
            if (v.index() == INDEX) {  // 保持する型が見つかった
                f(std::get<INDEX>(v));
                return;
            }
            else {  // 保持する型が見つかるまでリカーシブ
                org_visit<VARIANT, F, INDEX + 1>(f, v);
            }
        }
        else {
            assert(false);  // ここには来ないはず
        }
    }
    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 103

    auto oss = std::ostringstream{};

    // 文字列を返すためのジェネリックラムダ
    auto type_value = [&oss](auto const& a) {
        using T = std::remove_const_t<std::remove_reference_t<decltype(a)>>;
        oss << Nstd::Type2Str<T>() << " : " << a;
    };

単体テストは、以下のようになる。

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 113
    {
        auto v = std::variant<int, std::string, double>{};  // 3つの型を切り替える

        v = 3;
        org_visit(type_value, v);
        ASSERT_EQ("int : 3", oss.str());
        oss = std::ostringstream{};  // ossのリセット

        ...
    }
    {
        auto v = std::variant<char, int, std::string, double>{};  // 4つの型を切り替える

        v = 3;
        org_visit(type_value, v);
        ASSERT_EQ("int : 3", oss.str());
        oss = std::ostringstream{};  // ossのリセット

        v = 'c';
        org_visit(type_value, v);
        ASSERT_EQ("char : c", oss.str());
        oss = std::ostringstream{};  // ossのリセット

        ...
    }

下記のように継承関係のない複数のクラスが同じシグネチャのメンバ関数を持つ場合、

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 177

    class A {
    public:
        char f() const noexcept { return 'A'; }
    };

    class B {
    public:
        char f() const noexcept { return 'B'; }
    };

    class C {
    public:
        char f() const noexcept { return 'C'; }
    };

std::variant、上に示した関数テンプレート、ジェネリックラムダを使い、 下記に示したような疑似的なポリモーフィズムを実現できる。

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 197

    char ret{};
    auto call_f = [&ret](auto const& a) { ret = a.f(); };

    auto v = std::variant<A, B, C>{};

    org_visit(call_f, v);  // 疑似的なポリモーフィズム
    ASSERT_EQ('A', ret);

    v = B{};
    org_visit(call_f, v);  // 疑似的なポリモーフィズム
    ASSERT_EQ('B', ret);

    v = C{};
    org_visit(call_f, v);  // 疑似的なポリモーフィズム
    ASSERT_EQ('C', ret);

ここで示した関数テンプレートは、デザインパターンVisitorの例であり、 ほぼこれと同様のものがstd::visitとして定義されている。

    //  example/template_cpp17/variant_ut.cpp 215

    v = A{};
    std::visit(call_f, v);  // 疑似的なポリモーフィズム
    ASSERT_EQ('A', ret);

    v = B{};
    std::visit(call_f, v);  // 疑似的なポリモーフィズム
    ASSERT_EQ('B', ret);

    v = C{};
    std::visit(call_f, v);  // 疑似的なポリモーフィズム
    ASSERT_EQ('C', ret);

クラステンプレートと継承の再帰構造

クラステンプレートと継承の再帰構造はCRTPと呼ばれる。 このコードパターンについては、 「CRTP(curiously recurring template pattern)」で説明している。

意図しないname lookupの防止

下記のようにクラスや関数テンプレートが定義されている場合を考える。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 11

    namespace App {

    struct XY {
        int x;
        int y;
    };

    // このような関数テンプレートは適用範囲が広すぎるので定義すべきではないが、
    // 危険な例を示すためあえて定義している
    template <typename T, typename U>
    inline auto is_equal(T const& lhs, U const& rhs) noexcept
        -> decltype(lhs.x == rhs.x, lhs.y == rhs.y)
    {
        return lhs.x == rhs.x && lhs.y == rhs.y;
    }
    }  // namespace App

これに対しての単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 37

    auto xy0 = App::XY{0, 1};
    auto xy1 = App::XY{0, 2};
    auto xy2 = App::XY{0, 1};

    ASSERT_FALSE(is_equal(xy0, xy1));
    ASSERT_TRUE(is_equal(xy0, xy2));

    struct point {
        int x;
        int y;
    };
    auto p0 = point{0, 1};

    // 下記のような比較ができるようにするためis_equalはテンプレートで実装している
    ASSERT_TRUE(is_equal(p0, xy0));
    ASSERT_FALSE(is_equal(p0, xy1));

上記の抜粋である

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 43

    ASSERT_FALSE(is_equal(xy0, xy1));
    ASSERT_TRUE(is_equal(xy0, xy2));

が名前空間Appの指定なしでコンパイルできる理由は、 ADL(実引数依存探索)により、Appもis_equalのname lookupの対象になるからである。 これは便利な機能であるが、その副作用として意図しないname lookupによるバグの混入を起こしてしまうことがある。

上記の名前空間での定義が可視である状態で、下記のようなコードを書いた場合を考える。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 63

    namespace App2 {
    struct XYZ {
        int x;
        int y;
        int z;
    };

    inline bool is_equal(XYZ const& lhs, XYZ const& rhs) noexcept
    {
        return lhs.x == rhs.x && lhs.y == rhs.y && lhs.z == rhs.z;
    }
    }  // namespace App2

この単体テストは、やはりADLを使い下記のように書ける。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 84
    auto xyz0 = App2::XYZ{0, 2, 2};
    auto xyz1 = App2::XYZ{0, 1, 2};

    ASSERT_TRUE(is_equal(xyz0, xyz0));
    ASSERT_FALSE(is_equal(xyz0, xyz1));

これに問題はないが、下記のテストもコンパイルでき、且つテストもパスしてしまうことには問題がある。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 93

    auto xyz0 = App2::XYZ{0, 2, 2};
    auto xyz1 = App2::XYZ{0, 1, 2};
    auto xy0  = App::XY{0, 1};

    ASSERT_FALSE(is_equal(xy0, xyz0));  // これがコンパイルできてしまう
    ASSERT_TRUE(is_equal(xy0, xyz1));   // このis_equalはAppで定義されたもの

このセマンティクス的に無意味な(もしくは混乱を引き起こしてしまうであろう)コードは、

というメカニズムによりコンパイルできてしまう。

こういったname lookup、特にADLの問題に対処する方法は、

のようにいくつか考えられる。これらについて以下で説明を行う。

ジェネリックすぎるテンプレートを書かない

ここでの「ジェネリックすぎるテンプレート」とは、 シンタックス的には適用範囲が広いにもかかわらず、セマンティクス的な適用範囲は限られているものを指す。 従って下記のような関数テンプレートを指す概念ではない。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 108

    template <typename T, size_t N>
    constexpr auto array_length(T const (&)[N]) noexcept
    {
        return N;
    }

前記で問題を起こした関数テンプレート

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 20

    // このような関数テンプレートは適用範囲が広すぎるので定義すべきではないが、
    // 危険な例を示すためあえて定義している
    template <typename T, typename U>
    inline auto is_equal(T const& lhs, U const& rhs) noexcept
        -> decltype(lhs.x == rhs.x, lhs.y == rhs.y)
    {
        return lhs.x == rhs.x && lhs.y == rhs.y;
    }
    }  // namespace App

が典型的な「ジェネリックすぎるテンプレート」である。 これに対する最も安全な対処は下記コードで示す通りテンプレートを使わないことである。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 126

    namespace App {

    struct XY {
        int x;
        int y;
    };

    inline bool is_equal(XY const& lhs, XY const& rhs) noexcept
    {
        return lhs.x == rhs.x && lhs.y == rhs.y;
    }
    }  // namespace App

ジェネリックなis_equalが必要であれば下記単体テストのように ジェネリックラムダによる関数内での関数テンプレートの定義を行えばよい。 こうすることでその適用範囲はそれを定義した関数内に留まる。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 153

    // 下記のpointのようなクラスが他にもいくつかあった場合、
    // このジェネリックラムダでコードの被りは回避できる
    auto is_equal = [](auto const& lhs, auto const& rhs) noexcept {
        return lhs.x == rhs.x && lhs.y == rhs.y;
    };

    struct point {
        int x;
        int y;
    };
    auto p0 = point{0, 1};

    ASSERT_TRUE(is_equal(p0, xy0));
    ASSERT_FALSE(is_equal(p0, xy1));

上記で示した

といった方法の他にも、「コンテナ用Nstd::operator<<の開発」で示した

ことも考えられる。 ベストな方法は状況に大きく依存するため一概には決められない。 その状況でのもっとも単純は方法を選ぶべきだろう(が、何が単純かも一概に決めることは難しい)。

ADLが本当に必要でない限り名前を修飾する

下記のコードについて考える。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 176

    struct A {
        int f(int i) noexcept { return i * 3; }
    };

    int f(int i) noexcept { return i * 2; }

    namespace App {

    template <typename T>
    class ExecF : public T {
    public:
        int operator()(int i) noexcept
        {
            return f(i);  // T::fの呼び出しにも見えるが、::fの呼び出し
        }

        // Tを使ったコード
        ...
    };
    }  // namespace App

基底クラスのメンバ関数を呼び出す場合は、T::f()、もしくは、this->f()と書く必要があるため、 下記コードで呼び出した関数fは外部関数fの呼び出しになる (two phase name lookupの一回目のname lookupでfがバインドされるため)。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 203

    auto ef = App::ExecF<A>{};

    ASSERT_EQ(4, ef(2));  // ::fの呼び出しなので、2 * 2 == 4となる

これだけでも十分わかりづらいが、 ExecFのテンプレートパラメータにはクラスAしか使われないことがわかったので、 下記のようにリファクタリングしたとしよう。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 213

    struct A {
        int f(int i) noexcept { return i * 3; }
    };

    int f(int i) noexcept { return i * 2; }

    namespace App {

    class ExecF : public A {
    public:
        int operator()(int i) noexcept { return f(i); }

        // Tを使ったコード
        ...
    };
    }  // namespace App

すると、fのname lookupの対象が変わってしまい、元の単体テストはパスしなくなる。

    //  example/template_cpp17/suppress_adl_ut.cpp 236

    auto ef = App::ExecF{};

    // ASSERT_EQ(4, ef(2));
    ASSERT_EQ(6, ef(2));  // リファクタリングでname lookupの対象が変わり、A::fが呼ばれる

こういった場合に備え単体テストを実行すべきなのだが、この程度の問題はコンパイルで検出したい。 ADLtwo phase name lookupが絡む場合ならなおさらである。

こういう意図しないname lookupに備えるためには、 修飾されていない識別子を使わないこと、つまり、 識別子には、名前空間、クラス名、this->等による修飾を施すことが重要である。

ただし、「コンテナ用Nstd::operator<<の開発」で示したコード等にはADLが欠かせないため、 修飾することをルール化することはできない。場合に合わせた運用が唯一の解となる。

ADL Firewallを使う

下記のコードについて考える。

    //  example/template_cpp17/adl_firewall_0_ut.cpp 10

    namespace App {

    template <typename T>
    std::string ToString(std::vector<T> const& t)
    {
        auto oss = std::ostringstream{};

        using Nstd::operator<<;
        oss << t;  // Nstd::operator<<もname lookupの対象に含める

        return oss.str();
    }
    }  // namespace App

    ...

    namespace App {
    struct XY {
        XY(int ax, int ay) noexcept : x{ax}, y{ay} {}
        int x;
        int y;
    };

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, XY const& xyz)
    {
        return os << std::to_string(xyz.x) + "/" + std::to_string(xyz.y);
    }
    }  // namespace App

上記のApp::ToStringは「コンテナ用Nstd::operator<<の開発」のコードを使用し、 std::vectorオブジェクトをstd::stringに変換する。

これに対しての単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/adl_firewall_0_ut.cpp 47

    auto xys = std::vector<App::XY>{{9, 8}, {7, 6}};

    ASSERT_EQ("9/8, 7/6", App::ToString(xys));

これは想定通りの動作だが、上記のAppの後に下記のコードを追加するとApp::ToStringは影響を受ける。

    //  example/template_cpp17/adl_firewall_1_ut.cpp 40

    // Appに下記を追加
    namespace App {
    template <typename T>
    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, std::vector<T> const& t)
    {
        return os << "size:" << t.size();
    }
    }  // namespace App

これにより元の単体テストはエラーとなり、新しい単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/adl_firewall_1_ut.cpp 56

    auto xys = std::vector<App::XY>{{9, 8}, {7, 6}};

    // App::operator<<の追加で、App::ToStringの出力が影響を受ける
    // ASSERT_EQ("9/8, 7/6", App::ToString(xys));
    ASSERT_EQ("size:2", App::ToString(xys));

これが意図通りなら問題ないが、 ここでは「新たに追加した関数テンプレートApp::operator<<はstd::vector<App::XY>用ではなかった」 としよう。その場合、これは意図しないADLによるバグの混入となる。 「ジェネリックすぎるテンプレートを書かない」 で述べたように追加した関数テンプレートの適用範囲が広すぎることが原因であるが、 XY型から生成されたオブジェクト(std::vector<App::XY>も含む)によるADLのため、 Appの宣言がname lookupの対象になったことにも原因がある。

下記のコードは後者の原因を解消する。

    //  example/template_cpp17/adl_firewall_2_ut.cpp 23

    // Appの中の新たな名前空間XY_Firewall_でstruct XYとoperator<<を宣言
    namespace App {
    namespace XY_Firewall_ {

    struct XY {
        XY(int ax, int ay) noexcept : x{ax}, y{ay} {}
        int x;
        int y;
    };

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, XY const& xyz)
    {
        return os << std::to_string(xyz.x) + "/" + std::to_string(xyz.y);
    }
    }  // namespace XY_Firewall_

    using XY = XY_Firewall_::XY;

    }  // namespace App

XY型オブジェクトを引数にした関数呼び出しによる関連名前空間は、 極小なApp::XY_Firewall_であるため、意図しないADLは起こりづらく、起こっても発見しやすい。 また、XY型用operator<<もApp::XY_Firewall_で定義し、 App内でusing XYを宣言したことで、これまで通りApp::XYが使える。

このようなテクニックをADL firewallと呼ぶ。

Nstd::Type2Strの開発

Nstdライブラリの開発」等で行ったメタ関数の実装は、

等によるコンパイルエラーとの戦いである。 また、これをクリアしてもtwo phase name lookupADLが次の関門になる。 これには、デバッガのステップ実行が強力な武器となるが、 型を文字列に変換する関数があればこれもまた強力な武器となる。

以下に示すNstd::Type2Strは、「Nstdライブラリの開発」等で実際に使用したそのような関数である。

    //  h/nstd_type2str.h 9

    namespace Nstd {
    namespace Inner_ {

    inline std::string demangle(char const* to_demagle)
    {
        int status;

        auto demangled = std::unique_ptr<char, decltype(&std::free)>{
            abi::__cxa_demangle(to_demagle, 0, 0, &status), &std::free};

        return demangled.get();
    }

    template <typename>  // typenameを取り出すためだけのクラステンプレート
    struct type_capture {
    };
    }  // namespace Inner_

    template <typename T>
    std::string Type2Str()
    {
        // typeid(T)とした場合、const/volatile/&の情報が捨てられるため、
        // typeid(type_capture<T>)とし、それを防ぐ。
        auto str = std::string{Inner_::demangle(typeid(Inner_::type_capture<T>).name())};

        // T   == const int ならば、
        // str == Nstd::Inner_::type_capture<int const>
        //        <----------- 27 ----------><-- x --> 下記ではxを切り出す
        constexpr auto beg = 27U;                           // 先頭の不要な文字列数
        auto name = str.substr(beg, str.size() - beg - 1);  // 最後の文字は>なので不要

        while (name.back() == ' ') {  // 無駄なスペースを消す
            auto last = --name.end();
            name.erase(last);
        }

        return name;
    }
    }  // namespace Nstd

typeid::name()が返す文字列リテラルは引数の型の文字列表現を持つが、 マングリングされているためヒューマンリーダブルではない。 それをデマングルするのがabi::__cxa_demangleであるが、 残念なことにこの関数は非標準であるため、 それを使っているNstd::Inner_::demangleはg++/clang++ でなければコンパイルできないだろう。

それを除けば、 複雑なシンタックスを持つ型を文字列で表現できるNstd::Type2Strは、 テンプレートプログラミングおける有効なデバッグツールであると言える。

下記単体テストは、そのことを示している。

    //  example/template/nstd_type2str_ut.cpp 11

    ASSERT_EQ("int const", Nstd::Type2Str<int const>());
    ASSERT_EQ("std::string", Nstd::Type2Str<std::string>());
    ASSERT_EQ("std::vector<int, std::allocator<int> >", Nstd::Type2Str<std::vector<int>>());

    extern void f(int);
    ASSERT_EQ("void (int)", Nstd::Type2Str<decltype(f)>());  // 関数の型

    auto lamda = []() noexcept {};
    ASSERT_NE("", Nstd::Type2Str<decltype(lamda)>());  // XXX::{lambda()#1}な感じになる

    ASSERT_EQ("std::ostream& (std::ostream&, int const (&) [3])",
              Nstd::Type2Str<decltype(Nstd::operator<< <int[3]>)>());

    // std::declvalはrvalueリファレンスを返す
    ASSERT_EQ("int (&&) [3]", Nstd::Type2Str<decltype(std::declval<int[3]>())>());

    int i3[3];
    ASSERT_EQ("int [3]", Nstd::Type2Str<decltype(i3)>());
    ASSERT_EQ("int (&) [3]", Nstd::Type2Str<decltype((i3))>());  // (i3)はlvalueリファレンス

    auto& r = i3;
    ASSERT_EQ("int (&) [3]", Nstd::Type2Str<decltype(r)>());

静的な文字列オブジェクト

std::stringは文字列を扱うことにおいて、非常に有益なクラスではあるが、 コンパイル時に文字列が決定できる場合でも、動的にメモリを確保する。

この振る舞いは、

    //  example/template_cpp17/nstd_exception_ut.cpp 6

    class Exception : std::exception {
    public:
        Exception(char const* filename, uint32_t line_num, char const* msg)
            : what_str_{std::string{filename} + ":" + std::to_string(line_num) + ":" + msg}
        {
        }

        char const* what() const noexcept override { return what_str_.c_str(); }

    private:
        std::string what_str_;
    };

    int32_t div(int32_t a, int32_t b)
    {
        if (b == 0) {
            throw Exception{__FILE__, __LINE__, "divided by 0"};  // 24行目
        }

        return a / b;
    }
    //  example/template_cpp17/nstd_exception_ut.cpp 34

    auto caught = false;
    try {
        div(1, 0);
    }
    catch (Exception const& e) {
        ASSERT_STREQ("nstd_exception_ut.cpp:24:divided by 0", e.what());
        caught = true;
    }
    ASSERT_TRUE(caught);

このような問題を回避するために、ここでは静的に文字列を扱うためのクラスStaticStringを開発する。

StaticStringのヘルパークラスの開発

StaticStringオブジェクトは、char配列をメンバとして持つが、 コンパイル時に解決できる配列の初期化にはパラメータパックが利用できる。 そのパラメータパック生成クラスを下記のように定義する。

    //  example/template_cpp17/nstd_seq.h 4

    // パラメータパック展開ヘルパクラス
    template <size_t... Ns>
    struct index_sequence {
    };

    // index_sequence<0, 1, 2, ...>を作るためのクラステンプレート
    // make_index_sequence<3>
    // -> make_index_sequence<2, 2>
    // -> make_index_sequence<1, 1, 2>
    // -> make_index_sequence<0, 0, 1, 2>
    // -> index_sequence<0, 1, 2>
    template <size_t N, size_t... Ns>
    struct make_index_sequence : make_index_sequence<N - 1, N - 1, Ns...> {
    };

    template <size_t... Ns>
    struct make_index_sequence<0, Ns...> : index_sequence<Ns...> {
    };

このクラスにより、下記のような配列メンバの初期ができるようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_seq_ut.cpp 7

    template <size_t N>
    struct seq_test {
        template <size_t... S>
        constexpr seq_test(index_sequence<S...>) noexcept : data{S...}
        {
        }
        int const data[N];
    };
    //  example/template_cpp17/nstd_seq_ut.cpp 24

    constexpr auto st = seq_test<3>{index_sequence<1, 2, 3>()};
    ASSERT_EQ(1, st.data[0]);
    ASSERT_EQ(2, st.data[1]);
    ASSERT_EQ(3, st.data[2]);

これを下記のように使うことで、メンバである文字列配列のコンパイル時初期化ができるようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_seq_ut.cpp 33

    template <size_t N>
    class seq_test2 {
    public:
        template <size_t... S>
        constexpr seq_test2(char const (&str)[N], index_sequence<S...>) noexcept : string_{str[S]...}
        {
        }

        constexpr char const (&String() const noexcept)[N] { return string_; }

    private:
        char const string_[N];
    };
    //  example/template_cpp17/nstd_seq_ut.cpp 52

    constexpr char const str[]{"123"};

    constexpr auto st = seq_test2<4>{str, index_sequence<0, 1, 2>()};
    ASSERT_STREQ("123", st.String());

    constexpr auto st2 = seq_test2<4>{str, make_index_sequence<sizeof(str) - 1>()};
    ASSERT_STREQ("123", st2.String());

上記とほぼ同様のクラステンプレートstd::index_sequence、std::make_index_sequenceが、 utilityで定義されているため、以下ではこれらを使用する。

StaticStringの開発

StaticStringはすでに示したテクニックを使い、下記のように定義できる。

    //  example/h/nstd_static_string.h 10

    template <size_t N>
    class StaticString {
    public:
        constexpr StaticString(char const (&str)[N]) noexcept
            : StaticString{0, str, std::make_index_sequence<N - 1>{}}
        {
        }

        template <size_t M>
        constexpr StaticString(size_t offset, StaticString<M> ss) noexcept
            : StaticString{offset, ss.string_, std::make_index_sequence<N - 1>{}}
        {
        }

        constexpr StaticString(std::initializer_list<char> args) noexcept
            : StaticString{0, args, std::make_index_sequence<N - 1>{}}
        {
        }

        constexpr char const (&String() const noexcept)[N] { return string_; }
        constexpr size_t Size() const noexcept { return N; }

    private:
        char const string_[N];

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        template <Beginable T, size_t... I>
    #else  // c++17
        template <typename T, size_t... I>
    #endif
        // offsetは部分StaticString切り出しのため(TopStr, BottomStr)
        constexpr StaticString(size_t offset, T& t, std::index_sequence<I...>) noexcept
            : string_{std::begin(t)[I + offset]...}
        {
        }

        template <size_t M>
        friend class StaticString;
    };

文字列リテラルからStaticStringを生成する単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_static_string_ut.cpp 12

    const auto fs = StaticString{"abc"};  // C++17からのNの指定は不要

    static_assert(sizeof(4) == fs.Size());
    ASSERT_STREQ("abc", fs.String());

    // 文字列不足であるため、下記はコンパイルさせない
    // constexpr StaticString<4> fs2{"ab"};

また、std::initializer_list<char>による初期化の単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_static_string_ut.cpp 24

    const auto fs = StaticString<4>{'a', 'b', 'c'};  // C++17でもNの指定は必要

    static_assert(sizeof(4) == fs.Size());
    ASSERT_STREQ("abc", fs.String());

    // 文字列不足であるため、下記はコンパイルさせない
    // constexpr StaticString<4> fs2{'a', 'b'};

次にこのクラスにc++17用にoperator==とc++20用にoperator<=>を追加する。

    //  example/h/nstd_static_string.h 52

    namespace Inner_ {
    template <size_t N>
    constexpr bool equal_n(size_t n, StaticString<N> const& lhs, StaticString<N> const& rhs) noexcept
    {
        if (n == N) {
            return true;
        }
        else {
            return lhs.String()[n] != rhs.String()[n] ? false : equal_n(n + 1, lhs, rhs);
        }
    }
    }  // namespace Inner_

    #if __cplusplus <= 201703L  // c++17
    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator==(StaticString<N1> const&, StaticString<N2> const&) noexcept
    {
        return false;
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator!=(StaticString<N1> const& lhs, StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return !(lhs == rhs);
    }

    template <size_t N>
    constexpr bool operator==(StaticString<N> const& lhs, StaticString<N> const& rhs) noexcept
    {
        return Inner_::equal_n(0, lhs, rhs);
    }

    template <size_t N>
    constexpr bool operator!=(StaticString<N> const& lhs, StaticString<N> const& rhs) noexcept
    {
        return !(lhs == rhs);
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator==(StaticString<N1> const& lhs, char const (&rhs)[N2]) noexcept
    {
        return lhs == StaticString{rhs};
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator!=(StaticString<N1> const& lhs, char const (&rhs)[N2]) noexcept
    {
        return !(lhs == rhs);
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator==(char const (&lhs)[N1], StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return StaticString{lhs} == rhs;
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator!=(char const (&lhs)[N1], StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return !(lhs == rhs);
    }
    #elif __cplusplus >= 202002L  // c++20
    // 以下、operator==とoperator!=を<=>に置き換え
    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr auto operator<=>(StaticString<N1> const& lhs, StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        if constexpr (N1 != N2) {
            return N1 <=> N2;  // サイズが異なる場合は直接サイズを比較
        }
        else {
            return std::lexicographical_compare_three_way(lhs.String(), lhs.String() + N1 - 1,
                                                          rhs.String(), rhs.String() + N2 - 1);
        }
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr auto operator<=>(StaticString<N1> const& lhs, char const (&rhs)[N2]) noexcept
    {
        return lhs <=> StaticString{rhs};
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr auto operator<=>(char const (&lhs)[N1], StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return StaticString{lhs} <=> rhs;
    }

    // operator==は明示的に定義する必要がある(<=>からは自動生成されない)
    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator==(StaticString<N1> const& lhs, StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return (lhs <=> rhs) == 0;
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator==(StaticString<N1> const& lhs, char const (&rhs)[N2]) noexcept
    {
        return lhs == StaticString{rhs};
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr bool operator==(char const (&lhs)[N1], StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return StaticString{lhs} == rhs;
    }
    #endif

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_static_string_ut.cpp 70

    static_assert(StaticString{"123"} == StaticString{"123"});
    static_assert(StaticString{"123"} != StaticString{"1234"});
    static_assert(StaticString{"123"} == "123");
    static_assert("123" == StaticString{"123"});
    static_assert(StaticString{"123"} != "1234");
    static_assert("1234" != StaticString{"123"});

暗黙の型変換を利用した文字列リテラルからStaticStringオブジェクトへの変換は、 StaticStringがテンプレートであるため機能せず、上記のように書く必要がある。

同様にoperator + を追加する。

    //  example/h/nstd_static_string.h 161

    namespace Inner_ {
    template <size_t N1, size_t... I1, size_t N2, size_t... I2>
    constexpr StaticString<N1 + N2 - 1> concat(char const (&str1)[N1], std::index_sequence<I1...>,
                                               char const (&str2)[N2],
                                               std::index_sequence<I2...>) noexcept
    {
        return {str1[I1]..., str2[I2]...};
    }
    }  // namespace Inner_

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr auto operator+(StaticString<N1> const& lhs, StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return Inner_::concat(lhs.String(), std::make_index_sequence<N1 - 1>{}, rhs.String(),
                              std::make_index_sequence<N2>{});
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr auto operator+(StaticString<N1> const& lhs, char const (&rhs)[N2]) noexcept
    {
        return lhs + StaticString{rhs};
    }

    template <size_t N1, size_t N2>
    constexpr auto operator+(char const (&lhs)[N1], StaticString<N2> const& rhs) noexcept
    {
        return StaticString{lhs} + rhs;
    }
    //  example/template_cpp17/nstd_static_string_ut.cpp 83

    constexpr auto fs0 = StaticString{"1234"} + StaticString{"567"};
    static_assert(std::is_same_v<StaticString<fs0.Size()> const, decltype(fs0)>);
    static_assert("1234567" == fs0);

    constexpr auto fs1 = StaticString{"1234"} + ":";
    static_assert(std::is_same_v<StaticString<fs1.Size()> const, decltype(fs1)>);
    static_assert("1234:" == fs1);

    constexpr auto fs2 = ":" + StaticString{"567"};
    static_assert(std::is_same_v<StaticString<fs2.Size()> const, decltype(fs2)>);
    static_assert(":567" == fs2);

    constexpr auto fs3 = StaticString{"1234"} + ":" + StaticString{"567"};
    static_assert(std::is_same_v<StaticString<fs3.Size()> const, decltype(fs3)>);
    static_assert("1234:567" == fs3);

以上でstd::stringのように=、==、+などの演算が可能となった。 さらに下記の関数を追加することで、任意の位置、 任意のサイズの文字列を切り出せるようにすることでStaticStringはより便利に使用できるようになる。

    //  example/h/nstd_static_string.h 192

    template <size_t SIZE, size_t N>  // StaticString<SiZE>の部分文字列生成
    constexpr auto TopStr(StaticString<N> ss) noexcept
    {
        return StaticString<SIZE + 1>{0, ss};  // SIZE文字 + 終端文字
    }

    template <size_t OFFSET, size_t N>  // 先頭からオフセット2文字~終端文字まで
    constexpr auto BottomStr(StaticString<N> ss) noexcept
    {
        return StaticString<N - OFFSET>{OFFSET, ss};
    }
    //  example/template_cpp17/nstd_static_string_ut.cpp 53

    constexpr auto ss  = StaticString{"0123456789"};
    auto           ss2 = TopStr<2>(ss);  // 先頭2文字
    static_assert(3 == ss2.Size());      // 先頭2文字 + 終端文字
    ASSERT_STREQ("01", ss2.String());

    auto ss8 = BottomStr<2>(ss);  // 先頭からオフセット2文字~終端文字まで
    static_assert(9 == ss8.Size());  // 先頭からオフセット2文字~終端文字までは結果的に9文字
    ASSERT_STREQ("23456789", ss8.String());

    ASSERT_EQ(ss2 + ss8, ss);  // 元に戻す。+、= が使用される。

整数をStaticStringに変換する関数の開発

コンパイル時に__LINE__をStaticStringに変換できれば、 ファイル位置をStaticStringで表現できるため、 ここではその変換関数Int2StaticString<>()の実装を行う。

行番号を10進数での文字列で表現するため、いくつかのヘルパ関数を下記のように定義する。

    //  example/h/nstd_static_string_num.h 8

    namespace Inner_ {

    // 10進数桁数を返す
    constexpr size_t num_of_digits(size_t n) noexcept { return n > 0 ? 1 + num_of_digits(n / 10) : 0; }

    // 10のn乗を返す
    constexpr uint32_t ten_to_nth_power(uint32_t n) noexcept
    {
        return n == 0 ? 1 : 10 * ten_to_nth_power(n - 1);
    }

    // 10進数の桁の若い順番に左から並べなおす(12345 -> 54321)
    constexpr uint32_t reverse_num(uint32_t num) noexcept
    {
        return num != 0 ? (num % 10) * ten_to_nth_power(num_of_digits(num) - 1) + reverse_num(num / 10)
                        : 0;
    }

    // 10進数一桁をacsii文字に変換
    constexpr char digit_to_char(uint32_t num, uint32_t n_th) noexcept
    {
        return '0' + (num % (ten_to_nth_power(n_th + 1))) / ten_to_nth_power(n_th);
    }

    // Int2StaticStringのヘルパ関数
    template <size_t N, size_t... Cs>
    constexpr StaticString<num_of_digits(N) + 1> make_static_string(std::index_sequence<Cs...>) noexcept
    {
        return {digit_to_char(reverse_num(N), Cs)...};
    }
    }  // namespace Inner_

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/nstd_static_string_num_ut.cpp 47

    constexpr auto ns
        = make_static_string<__LINE__>(std::make_index_sequence<Inner_::num_of_digits(__LINE__)>());
    auto line_num = __LINE__ - 1;

    ASSERT_EQ(std::to_string(line_num), ns.String());

このままでは使いづらいため、これをラッピングした関数を下記のように定義することで、 Int2StaticString<>()が得られる。

    //  example/h/nstd_static_string_num.h 42

    template <size_t N>
    constexpr StaticString<Inner_::num_of_digits(N) + 1> Int2StaticString() noexcept
    {
        return Inner_::make_static_string<N>(std::make_index_sequence<Inner_::num_of_digits(N)>());
    }

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template/nstd_static_string_num_ut.cpp 66

    constexpr auto ns       = Int2StaticString<__LINE__>();
    auto           line_num = __LINE__ - 1;

    ASSERT_EQ(std::to_string(line_num), ns.String());

ファイル位置を静的に保持したエクセプションクラスの開発

静的な文字列オブジェクト」で見たように、 ファイル位置を動的に保持するエクセプションクラスは使い勝手が悪い。 ここでは、その問題を解決するためのExceptionクラスの実装を示す。

    //  example/h/nstd_exception.h 11

    /// @class Exception
    /// @brief StaticString<>を使ったエクセプションクラス
    ///        下記のMAKE_EXCEPTIONを使い生成
    /// @tparam E   std::exceptionから派生したエクセプションクラス
    /// @tparam N   StaticString<N>
    template <typename E, size_t N>
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    requires std::derived_from<E, std::exception>
    #endif
    class Exception : public E {
    public:
        static_assert(std::is_base_of_v<std::exception, E>);

        Exception(StaticString<N> const& what_str) noexcept : what_str_{what_str} {}
        char const* what() const noexcept override { return what_str_.String(); }

    private:
        StaticString<N> const what_str_;
    };

StaticStringと同様に、このままでは不便であるため、下記の関数を定義する。

    //  example/h/nstd_exception.h 33

    namespace Inner_ {
    template <typename E, template <size_t> class STATIC_STR, size_t N>
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    requires std::derived_from<E, std::exception>
    #endif
    auto make_exception(STATIC_STR<N> exception_str) noexcept { return Exception<E, N>{exception_str}; }
    }  // namespace Inner_

    template <typename E, size_t LINE_NUM, size_t F_N, size_t M_N>
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    requires std::derived_from<E, std::exception>
    #endif
    auto MakeException(char const (&filename)[F_N], char const (&msg)[M_N]) noexcept
    {
        return Inner_::make_exception<E>(StaticString{filename} + ":" + Int2StaticString<LINE_NUM>()
                                         + ":" + msg);
    }

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_exception_ut.cpp 89

    auto caught   = false;
    auto line_num = __LINE__ + 2;  // 2行下の行番号
    try {
        throw MakeException<std::exception, __LINE__>(__FILE__, "some error message");
    }
    catch (std::exception const& e) {
        auto oss = std::ostringstream{};
        oss << __FILE__ << ":" << line_num << ":some error message";

        ASSERT_EQ(oss.str(), e.what());
        caught = true;
    }

    ASSERT_TRUE(caught);

Exceptionクラスの利便性をさらに高めるため、下記の定義を行う。

    //  example/h/nstd_exception.h 55

    #define MAKE_EXCEPTION(E__, msg__) Nstd::MakeException<E__, __LINE__>(__FILE__, msg__)

上記は、関数型マクロの数少ない使いどころである。

単体テストは下記のようになる。

    //  example/template_cpp17/nstd_exception_ut.cpp 109

    uint32_t line_num_div;  // エクセプション行を指定

    int32_t div(int32_t a, int32_t b)
    {
        if (b == 0) {
            line_num_div = __LINE__ + 1;  // 次の行番号
            throw MAKE_EXCEPTION(std::exception, "divided by 0");
        }

        return a / b;
    }
    //  example/template_cpp17/nstd_exception_ut.cpp 126

    auto caught = false;

    try {
        div(1, 0);
    }
    catch (std::exception const& e) {  // リファレンスでcatchしなければならない
        auto oss = std::ostringstream{};
        oss << __FILE__ << ":" << line_num_div << ":divided by 0";
        ASSERT_EQ(oss.str(), e.what());
        caught = true;
    }

    ASSERT_TRUE(caught);

関数型をテンプレートパラメータで使う

ここで使う「関数型」とは、

の総称を指す。

std::unique_ptrは、

を取ることができるが、通常は第2パラメータは省略される。 省略時にはstd::default_deleteが割り当てられ、そのオブジェクトによって、 第1パラメータに対応するポインタがdeleteされる。

下記コードではこの第2パラメータにstd::freeのポインタの型を与え、 それから生成されるstd::unique_ptrオブジェクトを、

で初期化することでメモリの解放を行っている。

    //  h/nstd_type2str.h 18

    auto demangled = std::unique_ptr<char, decltype(&std::free)>{
        abi::__cxa_demangle(to_demagle, 0, 0, &status), &std::free};

std::unique_ptrの第2パラメータには、上記のような関数へのポインタのみではなく、 関数型を取ることができる。

そのことを順を追って示す。 まずは、std::unique_ptrの動作を確かめるためのクラスを下記のように定義する。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 8

    // デストラクタが呼び出された時に、外部から渡されたフラグをtrueにする
    struct A {
        explicit A(bool& destructor_called) noexcept : destructor_called{destructor_called} {}
        ~A() { destructor_called = true; };

        bool& destructor_called;
    };

次に示すのは、第2パラメータに何も指定しないパターンである。 テスト用クラスAの動作確認ができるはずである。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 25

    {  // 第2パラメータに何も指定しない
        auto is_called = false;
        {
            auto ua = std::unique_ptr<A>{new A{is_called}};
            ASSERT_FALSE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれた
    }

次に示すのは、

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 18

    void delete_func(A* a) noexcept { delete a; }

のポインタをstd::unique_ptrの第2パラメータに与えた例である。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 36

    {  // 第2パラメータに関数ポインタを与える
        auto is_called = false;
        {
            auto ua = std::unique_ptr<A, void (*)(A*)>{new A{is_called}, &delete_func};
            ASSERT_FALSE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれた
    }

次に示すのは、std::unique_ptrの第2パラメータにラムダを与えた例である。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 47

    {  // 第2パラメータにラムダを与える
        auto is_called = false;
        {
            auto delete_lambda = [](A* a) noexcept { delete a; };

            // ラムダ式の型はインスタンス毎に異なるため、
            // ラムダ式の型を取得するためには下記のようにdecltypeを使う必要がある
            auto ua = std::unique_ptr<A, decltype(delete_lambda)>{new A{is_called}, delete_lambda};
            ASSERT_FALSE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれた
    }

次に示すのは、 std::unique_ptrの第2パラメータに関数型オブジェクトの型(std::function)を与えた例である。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 62

    {  // 第2パラメータにstd::function型オブジェクトを与える
        auto is_called = false;
        {
            auto delete_obj = std::function<void(A*)>{[](A* a) noexcept { delete a; }};
            auto ua = std::unique_ptr<A, std::function<void(A*)>&>{new A{is_called}, delete_obj};
            ASSERT_FALSE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // uaのデストラクタは呼ばれた
    }

以上で見てきたようにstd::unique_ptrの第2パラメータには、 第1パラメータのポインタを引数に取る関数型であれば指定できる。

このようなテンプレートパラメータを持つクラステンプレートの実装例を示すため、 「RAII(scoped guard)でも示したScopedGuardの実装を下記する。

やや意外だが、このようなテンプレートパラメータに特別な記法はなく、以下のようにすれば良い。

    //  h/scoped_guard.h 7

    /// @brief RAIIのためのクラス。コンストラクタ引数の関数オブジェクトをデストラクタから呼び出す
    ///
    #if __cplusplus >= 202002L   // c++20

    template <std::invocable F>  // Fが呼び出し可能であることを制約
    #else  // c++17

    template <typename F>
    #endif
    class ScopedGuard {
    public:
        explicit ScopedGuard(F&& f) noexcept : f_{f}
        {
        }

        ~ScopedGuard() { f_(); }
        ScopedGuard(ScopedGuard const&)            = delete;  // copyは禁止
        ScopedGuard& operator=(ScopedGuard const&) = delete;  // copyは禁止

    private:
        F f_;
    };

上記コードの抜粋である下記は、テンプレートパラメータを関数型に制約するためのものである。

    //  h/scoped_guard.h 7

    /// @brief RAIIのためのクラス。コンストラクタ引数の関数オブジェクトをデストラクタから呼び出す
    ///
    #if __cplusplus >= 202002L   // c++20

    template <std::invocable F>  // Fが呼び出し可能であることを制約
    #else  // c++17

    template <typename F>
    #endif

これがなければ、誤った型の関数型をテンプレートパラメータに指定できてしまう。

以下にこのクラステンプレートの単体テストを示す。

まずは、以下の関数と静的変数の組み合わせ

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 78

    bool is_caleded_in_static{false};
    void caleded_by_destructor() noexcept { is_caleded_in_static = true; }

を使った例である。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 86

    {  // Fに関数ポインタを与える
        is_caleded_in_static = false;
        {
            auto sg = ScopedGuard{&caleded_by_destructor};
            ASSERT_FALSE(is_caleded_in_static);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_caleded_in_static);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }

次に示すのは、それぞれにラムダ式とstd::functionを使った2例である。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 101

    {  // Fにラムダ式を与える
        auto is_called = false;
        {
            auto gs = ScopedGuard{[&is_called]() noexcept { is_called = true; }};
            ASSERT_FALSE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }
    {  // Fにstd::function型オブジェクトを与える
        auto is_called = false;
        {
            auto f  = std::function<void(void)>{[&is_called]() noexcept { is_called = true; }};
            auto gs = ScopedGuard{std::move(f)};  // sgのデストラクタは呼ばれていない
            ASSERT_FALSE(is_called);              // sgのデストラクタは呼ばれた
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);
    }

次に示すのは関数型オブジェクト

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 123

    struct TestFunctor {
        explicit TestFunctor(bool& is_called) : is_called_{is_called} {}
        void  operator()() noexcept { is_called_ = true; }
        bool& is_called_;
    };

を使った例である。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 134

    {  // Fに関数型オブジェクトを与える
        auto is_called = false;
        auto tf        = TestFunctor{is_called};
        {
            auto sg = ScopedGuard{std::move(tf)};  // C++17以降の記法
            ASSERT_FALSE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }

C++17からサポートされた「クラステンプレートのテンプレートパラメータ推論」が使えないC++14以前では、 下記に示すようにScopedGuardのテンプレートラメータ型を指定しなければならない煩雑さがある。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 146
    {  // Fに関数型オブジェクトを与える
        auto is_called = false;
        auto tf        = TestFunctor{is_called};
        {
            auto sg = ScopedGuard<TestFunctor>{std::move(tf)};  // C++14以前の記法
            ASSERT_FALSE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }

これを回避するためには下記のような関数テンプレートを用意すればよい。

    //  h/scoped_guard.h 38

    template <typename F>
    ScopedGuard<F> MakeScopedGuard(F&& f) noexcept
    {
        return ScopedGuard<F>(std::move(f));
    }

下記に示した単体テストから明らかな通り、関数テンプレートの型推測の機能により、 テンプレートパラメータを指定する必要がなくなる。

    //  example/template_cpp17/func_type_ut.cpp 161

    {  // Fに関数ポインタを与える
        is_caleded_in_static = false;
        {
            auto sg = MakeScopedGuard(&caleded_by_destructor);
            ASSERT_FALSE(is_caleded_in_static);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_caleded_in_static);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }
    {  // Fにラムダ式を与える
        auto is_called = false;
        {
            auto sg = MakeScopedGuard([&is_called]() noexcept { is_called = true; });
            ASSERT_FALSE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }
    {  // Fにstd::function型オブジェクトを与える
        auto is_called = false;
        {
            auto f  = std::function<void(void)>{[&is_called]() noexcept { is_called = true; }};
            auto sg = MakeScopedGuard(std::move(f));
            ASSERT_FALSE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }
    {  // Fに関数型オブジェクトを与える
        auto is_called = false;
        auto tf        = TestFunctor{is_called};
        {
            auto sg = MakeScopedGuard(std::ref(tf));  // std::refが必要
            ASSERT_FALSE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれていない
        }
        ASSERT_TRUE(is_called);  // sgのデストラクタは呼ばれた
    }

このような便利なテンプレートは、Nstdのようなライブラリで定義、宣言し、 ソースコード全域からアクセスできるようにするとプロジェクトの開発効率が少しだけ高まる。

演習-関数型のテンプレートパラメータを持つクラステンプレート

注意点まとめ

本章では、テンプレートメタプログラミングのテクニックや注意点について解説したが、 本章の情報量は多く、また他の章で行ったものもあるため以下にそれらをまとめる。

    //  example/template_cpp17/etc_ut.cpp 7

    template <typename T> constexpr int32_t f(T) noexcept { return 0; }                   // f-0
    template <typename T> constexpr int32_t f(T*) noexcept { return 1; }                  // f-1
    template <>           constexpr int32_t f<int32_t*>(int32_t*) noexcept { return 2; }  // f-2
    // f-2はf-1の特殊化のように見えるが、T == int32_t*の場合のf-0の特殊化である。
    //  example/template_cpp17/etc_ut.cpp 18

    // 以下、f-0/f-1/f-2のテスト
    auto c   = char{0};
    auto i32 = 0;

    // 以下はおそらく直感通り
    static_assert(f(0) == 0);               // f-0が呼ばれる
    static_assert(f(&c) == 1);              // f-1が呼ばれる
    static_assert(f<int32_t*>(&i32) == 2);  // f-2が呼ばれる

    // 以下はおそらく直感に反する
    static_assert(f(nullptr) == 0);  // f-1ではなく、f-0が呼ばれる
    static_assert(f(&i32) == 1);     // f-2ではなく、f-1が呼ばれる

ダイナミックメモリアロケーション

本章で扱うダイナミックメモリアロケーションとは、new/delete、malloc/free によるメモリ確保/解放のことである。

malloc/freeは、

等の問題(「malloc/freeの問題点」参照)を持っている。 new/deleteは通常malloc/freeを使って実装されているため同じ問題を持っているが、 これらが汎用OS上でのアプリケーションで実際の不具合につながることはほとんどない。一方で、

ような組み込みソフトでは、上記の2点は致命的な不具合につながる。

本章では、この問題を回避するための技法を紹介する。


この章の構成

   malloc/freeの問題点
   グローバルnew/deleteのオーバーロード
    固定長メモリプール
    グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装
    プレースメントnew
    デバッグ用イテレータ

   クラスnew/deleteのオーバーロード
   STLコンテナのアロケーター
    STLコンテナ用アロケータ
    可変長メモリプール
    デバッグ用イテレータ
    エクセプション処理機構の変更

   Polymorphic Memory Resource(pmr)
    std::pmr::memory_resource
    std::pmr::polymorphic_allocator
    pool_resource

このドキュメントの構成に戻る。


malloc/freeの問題点

UNIX系のOSでの典型的なmalloc/freeの実装例の一部を以下に示す (この実装は長いため、 全体は巻末の「example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp」に掲載する)。

    //  example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp 19

    namespace {

    struct header_t {
        header_t* next;
        size_t    n_nuits;  // header_tが何個あるか
    };

    header_t*        header{nullptr};
    SpinLock         spin_lock{};
    constexpr size_t unit_size{sizeof(header_t)};

    inline bool sprit(header_t* header, size_t n_nuits, header_t*& next) noexcept
    {
        ...
    }

    inline void concat(header_t* front, header_t* rear) noexcept
    {
        ...
    }

    header_t* set_back(void* mem) noexcept { return static_cast<header_t*>(mem) - 1; }

    static_assert(sizeof(header_t) == alignof(std::max_align_t));

    void* malloc_inner(size_t size) noexcept
    {
        ...
    }
    }  // namespace
    //  example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp 105

    void free(void* mem) noexcept
    {
        header_t* mem_to_free = set_back(mem);

        mem_to_free->next = nullptr;

        auto lock = std::lock_guard{spin_lock};

        if (header == nullptr) {
            header = mem_to_free;
            return;
        }

        if (mem_to_free < header) {
            concat(mem_to_free, header);
            header = mem_to_free;
            return;
        }

        auto curr = header;
        for (; curr->next != nullptr; curr = curr->next) {
            if (mem_to_free < curr->next) {  // 常に curr < mem_to_free
                concat(mem_to_free, curr->next);
                concat(curr, mem_to_free);
                return;
            }
        }

        concat(curr, mem_to_free);
    }

    void* malloc(size_t size) noexcept
    {
        void* mem = malloc_inner(size);

        if (mem == nullptr) {
            auto const add_size = Roundup(unit_size, 1024 * 1024 + size);  // 1MB追加

            header_t* add = static_cast<header_t*>(sbrk(add_size));
            add->n_nuits  = add_size / unit_size;
            free(++add);
            mem = malloc_inner(size);
        }

        return mem;
    }

上記で示したようにmalloc/freeで使用されるメモリはHeader_t型のheaderで管理され、 このアクセスの競合はspin_lockによって回避される。 headerが管理するメモリ用域からのメモリの切り出しはmalloc_innerによって行われるが、 下のフラグメントの説明でも示す通り、 headerで管理されたメモリは長さの上限が単純には決まらないリスト構造になるため、 このリストをなぞるmalloc/freeにリアルタイム性の保証をすることは困難である。

アプリケーションが実行する最初のmallocから呼び出されるmalloc_innerは、 headerがnullptrであるため必ずnullptrを返すことになる。

上記の抜粋である下記のコードによりmalloc_innerの戻りがnullptrであった場合、sbrkが呼び出される。

    //  example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp 148

    if (mem == nullptr) {
        auto const add_size = Roundup(unit_size, 1024 * 1024 + size);  // 1MB追加

        header_t* add = static_cast<header_t*>(sbrk(add_size));
        add->n_nuits  = add_size / unit_size;
        free(++add);
        mem = malloc_inner(size);
    }

sbrkとはOSからメモリを新たに取得するための下記のようなシステムコールである。

    //  example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp 13

    extern "C" void* sbrk(ptrdiff_t __incr);

OSがアプリケーションに割り当てるための十分なメモリを持っていない場合、 sbrkは ページング によるメモリ確保のトリガーとなる。 これはOSのファイルシステムの動作を含む処理であるため、やはりリアルタイム性の保証は困難である。

フリースタンディング環境では、sbrkのようなシステムコールは存在しないため、 アプリケーションの未使用領域や静的に確保した領域を上記コードで示したようなリスト構造で管理し、 mallocで使用することになる。 このような環境では、sbrkによるリアルタイム性の阻害は発生しないものの、 メモリ管理ためのリスト構造があるため、やはりリアルタイム性の保証は難しい。

次にもう一つの問題である「メモリのフラグメントを起こす」ことについて見て行く。

    //  example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp 190

    void* mem[1024];

    for (auto& m : mem) {  // 32バイト x 1024個のメモリ確保
        m = malloc(32);
    }

    // memを使用した何らかの処理
    ...

    for (auto i = 0U; i < ArrayLength(mem); i += 2) {  // 512個のメモリを解放
        free(mem[i]);
    }

上記のような処理の後、解放されたメモリは、32バイト (メモリヘッダがあるため、実際はもう少し大きい)の断片が512個ある状態になるため、 このサイズを超える新たなmallocの呼び出しには使えない。 このため、ページングが行えないようなOS上のアプリケーションでは、 メモリは十分にあるにもかかわらずmallocが失敗してしまうことが起こり得る。

また、上記freeの実装例の抜粋である下記のコードからわかるように、 このように断片化されたメモリは、そのアドレス順にソートされた単方向リストによって管理される。

    //  example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp 120

    if (mem_to_free < header) {
        concat(mem_to_free, header);
        header = mem_to_free;
        return;
    }

    auto curr = header;
    for (; curr->next != nullptr; curr = curr->next) {
        if (mem_to_free < curr->next) {  // 常に curr < mem_to_free
            concat(mem_to_free, curr->next);
            concat(curr, mem_to_free);
            return;
        }
    }

    concat(curr, mem_to_free);

この状態でさらにメモリ解放が行われた場合、 freeはこのリストを辿りメモリを最適な場所に戻す必要がある。 戻したメモリがリスト前後のメモリと隣接していれば、それらは結合される。 この処理は断片化への対策であるが、 ページングの無いOS上のアプリケーションにとっては不十分であるばかりでなく、

といったリアルタイム処理を阻害する別の問題も発生させる (繰り返しになるが、windows/linuxのような通常のOS上のアプリケーションでは、 このような仕様が問題になることはほとんどない)。

グローバルnew/deleteのオーバーロード

すでに述べたように、組み込みソフトにはmalloc/freeを使用したnew/deleteは使えない可能性が高い。 そのような場合に備えC++11ではグローバルなnew/deleteのオーバーロードをサポートする。 ここでは、そのようなnew/deleteの実装例を示すが、 その前にnew/deleteの内部実装用メモリ管理用ライブラリを実装する。

固定長メモリプール

malloc/freeにリアルタイム性がない原因は、

ためである。従って、この問題に対処するためのメモリ管理システムは、

する必要がある。これを含めこの章で開発するメモリ管理システムをメモリプールと呼ぶことにする。

グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装」で示すように、 このメモリプールは管理する固定長のメモリブロックのサイズごとに複数必要になる一方で、 これらを統合的に扱う必要も出てくる。

そのため、固定長のメモリプールは、

によって実装することにする。

まずは、MPoolを下記に示す (「ファイル位置を静的に保持したエクセプションクラスの開発」参照)。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool.h 12

    class MPool {
    public:
        explicit MPool(size_t max_size) : max_size_{max_size} {}

        void* Alloc(size_t size)
        {
            if (size > max_size_) {
                throw MAKE_EXCEPTION(MPoolBadAlloc, "MPF : memory size too big");
            }

            void* mem = alloc(size);

            if (mem == nullptr) {
                throw MAKE_EXCEPTION(MPoolBadAlloc, "MPF : out of memory");
            }

            return mem;
        }

        void* AllocNoExcept(size_t size) noexcept { return alloc(size); }

        void   Free(void* area) noexcept { free(area); }
        size_t GetSize() const noexcept { return get_size(); }  // メモリ最小単位
        size_t GetCount() const noexcept { return get_count(); }  // メモリ最小単位が何個取れるか
        size_t GetCountMin() const noexcept { return get_count_min(); }  // GetCount()の最小値
        bool   IsValid(void const* area) const noexcept { return is_valid(area); }

    protected:
        ~MPool() = default;

    private:
        size_t const max_size_;

        virtual void*  alloc(size_t size) noexcept               = 0;
        virtual void   free(void* area) noexcept                 = 0;
        virtual size_t get_size() const noexcept                 = 0;
        virtual size_t get_count() const noexcept                = 0;
        virtual size_t get_count_min() const noexcept            = 0;
        virtual bool   is_valid(void const* area) const noexcept = 0;
    };

次に、MPoolFixedを下記に示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_fixed.h 25

    template <uint32_t MEM_SIZE, uint32_t MEM_COUNT>
    class MPoolFixed final : public MPool {
    public:
        MPoolFixed() noexcept : MPool{mem_chunk_size_} {}

    private:
        using chunk_t = Inner_::mem_chunk<MEM_SIZE>;
        static constexpr size_t mem_chunk_size_{sizeof(chunk_t)};

        size_t           mem_count_{MEM_COUNT};
        size_t           mem_count_min_{MEM_COUNT};
        chunk_t          mem_chunk_[MEM_COUNT]{};
        chunk_t*         mem_head_{setup_mem()};
        mutable SpinLock spin_lock_{};

        chunk_t* setup_mem() noexcept
        {
            for (auto i = 0U; i < MEM_COUNT - 1; ++i) {
                mem_chunk_[i].next = &mem_chunk_[i + 1];
            }

            mem_chunk_[MEM_COUNT - 1].next = nullptr;

            return mem_chunk_;
        }

        virtual void* alloc(size_t size) noexcept override
        {
            assert(size <= mem_chunk_size_);

            auto lock = std::lock_guard{spin_lock_};

            auto mem = mem_head_;

            if (mem != nullptr) {
                mem_head_      = mem_head_->next;
                mem_count_min_ = std::min(--mem_count_, mem_count_min_);
            }

            return mem;
        }

        virtual void free(void* mem) noexcept override
        {
            assert(is_valid(mem));

            auto lock = std::lock_guard{spin_lock_};

            chunk_t* curr_head = static_cast<chunk_t*>(mem);
            curr_head->next    = mem_head_;
            mem_head_          = curr_head;

            mem_count_min_ = std::min(++mem_count_, mem_count_min_);
        }

        virtual size_t get_size() const noexcept override { return mem_chunk_size_; }
        virtual size_t get_count() const noexcept override { return mem_count_; }
        virtual size_t get_count_min() const noexcept override { return mem_count_min_; }

        virtual bool is_valid(void const* mem) const noexcept override
        {
            return (&mem_chunk_[0] <= mem) && (mem <= &mem_chunk_[MEM_COUNT - 1]);
        }
    };

上記コードからわかる通り、MPoolFixedは初期化直後、 サイズMEM_SIZのメモリブロックをMEM_COUNT個、保持する。 個々のメモリブロックは、下記のコードのalignas/alignofでアライメントされた領域となる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_fixed.h 11

    constexpr size_t MPoolFixed_MinSize{32};

    namespace Inner_ {
    template <uint32_t MEM_SIZE>
    union mem_chunk {
        mem_chunk* next;

        // MPoolFixed_MinSizeの整数倍のエリアを、最大アラインメントが必要な基本型にアライン
        alignas(alignof(std::max_align_t)) uint8_t mem[Roundup(MPoolFixed_MinSize, MEM_SIZE)];
    };
    }  // namespace Inner_

MPoolFixedに限らずメモリアロケータが返すメモリは、 どのようなアライメントにも対応できなければならないため、このようにする必要がある。

MPoolFixed::alloc/MPoolFixed::freeを見ればわかる通り、malloc/freeの実装に比べ格段にシンプルであり、 これによりリアルタイム性の保障は容易である。

なお、この実装ではmalloc/freeと同様に下記のSpinLockを使用したが、 このロックは、ラウンドロビンでスケジューリングされるスレッドの競合を防ぐためのものであり、 固定プライオリティでのスケジューリングが前提となるような組み込みソフトで使用した場合、 デッドロックを引き起こす可能性がある。 組み込みソフトでは、割り込みディセーブル/イネーブルを使ってロックすることを推奨する。

    //  example/dynamic_memory_allocation/spin_lock.h 3

    #include <atomic>

    class SpinLock {
    public:
        void lock() noexcept
        {
            while (state_.exchange(state::locked, std::memory_order_acquire) == state::locked) {
                ;  // busy wait
            }
        }

        void unlock() noexcept { state_.store(state::unlocked, std::memory_order_release); }

    private:
        enum class state { locked, unlocked };
        std::atomic<state> state_{state::unlocked};
    };

MPoolFixedの単体テストは、下記のようになる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_fixed_ut.cpp 10

    Inner_::mem_chunk<5> mc5[3];
    static_assert(32 == sizeof(mc5[0]));
    static_assert(96 == sizeof(mc5));

    auto mc33 = Inner_::mem_chunk<33>{};
    static_assert(64 == sizeof(mc33));
    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_fixed_ut.cpp 106

    auto mpf = MPoolFixed<33, 2>{};

    ASSERT_EQ(64, mpf.GetSize());
    ASSERT_EQ(2, mpf.GetCount());
    ASSERT_EQ(2, mpf.GetCountMin());
    ASSERT_FALSE(mpf.IsValid(&mpf));  // mpfの管理外のアドレス

    auto m0 = mpf.Alloc(1);
    ASSERT_TRUE(mpf.IsValid(m0));  // mpfの管理のアドレス
    ASSERT_NE(nullptr, m0);
    ASSERT_EQ(1, mpf.GetCount());
    ASSERT_EQ(1, mpf.GetCountMin());

    auto m1 = mpf.Alloc(1);
    ASSERT_TRUE(mpf.IsValid(m1));  // mpfの管理のアドレス
    ASSERT_NE(nullptr, m1);
    ASSERT_EQ(0, mpf.GetCount());
    ASSERT_EQ(0, mpf.GetCountMin());

    // mpfが空の場合のテスト
    ASSERT_THROW(mpf.Alloc(1), MPoolBadAlloc);  // MPoolBadAlloc例外が発生するはず
    auto m2 = mpf.AllocNoExcept(1);
    ASSERT_EQ(nullptr, m2);
    ASSERT_EQ(0, mpf.GetCount());

    mpf.Free(m0);
    ASSERT_EQ(1, mpf.GetCount());
    ASSERT_EQ(0, mpf.GetCountMin());

    mpf.Free(m1);
    ASSERT_EQ(2, mpf.GetCount());
    ASSERT_EQ(0, mpf.GetCountMin());

    ASSERT_THROW(mpf.Alloc(65), MPoolBadAlloc);  // MPoolBadAlloc例外が発生するはず

上記テストで使用したMPoolBadAllocは下記のように定義されたクラスであり (「ファイル位置を静的に保持したエクセプションクラスの開発」参照)、

    //  example/h/nstd_exception.h 11

    /// @class Exception
    /// @brief StaticString<>を使ったエクセプションクラス
    ///        下記のMAKE_EXCEPTIONを使い生成
    /// @tparam E   std::exceptionから派生したエクセプションクラス
    /// @tparam N   StaticString<N>
    template <typename E, size_t N>
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    requires std::derived_from<E, std::exception>
    #endif
    class Exception : public E {
    public:
        static_assert(std::is_base_of_v<std::exception, E>);

        Exception(StaticString<N> const& what_str) noexcept : what_str_{what_str} {}
        char const* what() const noexcept override { return what_str_.String(); }

    private:
        StaticString<N> const what_str_;
    };

    #define MAKE_EXCEPTION(E__, msg__) Nstd::MakeException<E__, __LINE__>(__FILE__, msg__)
    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool.h 7

    class MPoolBadAlloc : public std::bad_alloc {  // Nstd::Exceptionの基底クラス
    };

MPoolから派生したクラスが、

のような処理の継続ができない場合に用いるエクセプション用クラスである。

グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装

固定長メモリプールを使用したoperator newのオーバーロードの実装例を以下に示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/global_new_delete.cpp 31

    namespace {
    MPool* mpool_table[32];

    // mainの前に呼ばれるため、mpool_tableを初期化するには下記のような方法が必要
    bool is_setup{false};

    void setup() noexcept
    {
        is_setup = true;

        mpool_table[0] = gen_mpool<1, 128>();  //   32
        mpool_table[1] = gen_mpool<2, 128>();  //   64
        mpool_table[2] = gen_mpool<3, 128>();  //   96

        ...

        mpool_table[29] = gen_mpool<30, 128>();  //  960
        mpool_table[30] = gen_mpool<31, 128>();  //  992
        mpool_table[31] = gen_mpool<32, 128>();  // 1024
    }

    size_t size2index(size_t v) noexcept
    {
        return (((v + (min_unit - 1)) & ~(min_unit - 1)) / min_unit) - 1;
    }
    }  // namespace

    [[nodiscard]] void* operator new(std::size_t size)
    {
        if (!is_setup) {
            setup();
        }

        for (auto i = size2index(size); i < ArrayLength(mpool_table); ++i) {
            void* mem = mpool_table[i]->AllocNoExcept(size);
            if (mem != nullptr) {
                return mem;
            }
        }

        throw std::bad_alloc{};

        static char fake[0];

        return fake;
    }

上記で定義されたoperator newは、

のような仕様を持つため、実際に使う場合は、メモリのサイズや個数の調整が必要だろうが、 後で詳しく見るようにリアルタイム性の阻害となるようなコードはないため、 リアルタイム性が必要なソフトウェアでも使用可能である。

静的オブジェクトを含まないアプリケーションでは、 上記のコードのsetupで行っているmpool_tableの初期化は 一様初期化で行った方が良いが、 例で用いたアプリケーションにはnewを行う静的オブジェクトが存在するため (google testは静的オブジェクトを利用する)、 setupで行っているような方法以外では、 最初のoperator newの呼び出しより前にmpool_tableの初期化をすることはできない。

mpool_tableはMPoolポインタを保持するが、そのポインタが指すオブジェクトの実態は、 gen_mpool<>が生成したMPoolFixed<>オブジェクトである。 gen_mpool<>については、「プレースメントnew」で説明する。

size2indexは、要求されたサイズから、 それに対応するMPoolポインタを保持するmpool_tableのインデックスを導出する関数である。

この実装では対応するMPoolが空であった場合、 それよりも大きいメモリブロックを持つMPoolからメモリを返す仕様としたが、 その時点でアサーションフェールさせ (つまり、対応するMPoolが空である状態でのAllocの呼び出しをバグとして扱う)、 MEM_COUNTの値を見直した方が、 より少ないメモリで動作する組み込みソフトを作りやすいだろう。

operator deleteについては、下記の2種類が必要となる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/global_new_delete.cpp 109

    void operator delete(void* mem) noexcept
    {
        for (MPool* mp : mpool_table) {
            if (mp->IsValid(mem)) {
                mp->Free(mem);
                return;
            }
        }
        assert(false);
    }

    void operator delete(void* mem, std::size_t size) noexcept
    {
        for (auto i = size2index(size); i < ArrayLength(mpool_table); ++i) {
            if (mpool_table[i]->IsValid(mem)) {
                mpool_table[i]->Free(mem);
                return;
            }
        }
        assert(false);
    }

operator delete(void* mem, std::size_t size)は、完全型のオブジェクトのメモリ解放に使用され、 operator delete(void* mem)は、それ以外のメモリ解放に使用される。

コードから明らかな通り、size付きのoperator deleteの方がループの回転数が少なくなるため、 高速に動作するが、malloc/freeの実装(「malloc/freeの問題点」参照)で使用したHeader_t を導入することでこの実行コストはほとんど排除できる。 そのトレードオフとしてメモリコストが増えるため、ここでは例示した仕様にした。

プレースメントnew

グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装」で使用したgen_mpool<>は、 下記のように定義されている。

    //  example/dynamic_memory_allocation/global_new_delete.cpp 8

    namespace {

    constexpr size_t min_unit{MPoolFixed_MinSize};

    template <uint32_t N_UNITS, uint32_t MEM_COUNT>
    [[nodiscard]] MPool* gen_mpool() noexcept
    {
        using mp_t = MPoolFixed<min_unit * N_UNITS, MEM_COUNT>;

        static union {
            std::max_align_t max_align;
            uint8_t          mem[sizeof(mp_t)];
        } mem;

        static_assert(static_cast<void*>(&mem.max_align) == static_cast<void*>(mem.mem));
        static_assert(sizeof(mem) >= sizeof(mp_t));

        return new (mem.mem) mp_t;  // プレースメントnew
    }
    }  // namespace

この関数テンプレートは、MPoolFixed<>オブジェクトを生成し、それをMPool型のポインタとして返す。 MPoolFixedの生成は、上記で示したようにプレースメントnewを使用して行っている。

gen_mpool<>内でMPoolFixedのstaticなインスタンスを定義した方がシンプルに実装できるが、 その場合、main()終了後、そのインスタンスは解放され(デストラクタが呼び出され)、その後、 他の静的オブジェクトの解放が行われると、その延長でoperator deleteが呼び出され、 ライフタイム終了後のMPoolFixedのstaticなインスタンスが使われてしまう。

現在のMPoolFixedの実装ではこの操作で不具合は発生しないが、 解放済のオブジェクトを操作することは避けるべきであるため、 MPoolFixedの生成にプレースメントnewを用いている。

プレースメントnewで生成したオブジェクトをdeleteすることはできず、 デストラクタはユーザが明示的に呼び出さない限り、呼び出されない。 ここでは、プレースメントnewのこの特性を利用したが、 逆に、この特性があるため、 ここでの実装のような特殊な事情がある場合を除き、プレースメントnewを使うべきではない (デストラクタの明示的な呼び出しを忘れるとリソースリークしてしまう)。

デバッグ用イテレータ

この章で例示したグローバルnew/deleteは、すでに述べたように適切なメモリの量を調整する必要がある。 そのためには、これを使用するアプリケーションをある程度動作させた後、 グローバルnew/deleteのメモリの消費量を計測しなければならない。

下記のコードは、そのためのインターフェースを提供する。

    //  example/dynamic_memory_allocation/global_new_delete.h 4

    class GlobalNewDeleteMonitor {
    public:
        MPool const* const* cbegin() const noexcept;
        MPool const* const* cend() const noexcept;
        MPool const* const* begin() const noexcept;
        MPool const* const* end() const noexcept;
    };
    //  example/dynamic_memory_allocation/global_new_delete.cpp 135

    MPool const* const* GlobalNewDeleteMonitor::begin() const noexcept { return &mpool_table[0]; }
    MPool const* const* GlobalNewDeleteMonitor::end() const noexcept
    {
        return &mpool_table[ArrayLength(mpool_table)];
    }

    MPool const* const* GlobalNewDeleteMonitor::cbegin() const noexcept { return begin(); }
    MPool const* const* GlobalNewDeleteMonitor::cend() const noexcept { return end(); }

このインターフェースを下記のように使用することで、

    //  example/dynamic_memory_allocation/global_new_delete_ut.cpp 124

    auto gm = GlobalNewDeleteMonitor{};

    std::cout << "  size current   min" << std::endl;
    std::cout << "  ------------------" << std::endl;

    for (MPool const* mp : gm) {
        std::cout << std::setw(6) << mp->GetSize() << std::setw(8) << mp->GetCount() << std::setw(6)
                  << mp->GetCountMin() << std::endl;
    }

下記のようにメモリの現在の状態や使用履歴を見ることができる。

          size current   min
          ------------------
            32      90     0
            64      78    74
            96     127   125

           ...

           992     128   128
          1024     128     0

実際の組み込みソフトの開発では、 デバッグ用入出力機能からこのようなコードを実行できるようにすることで、 グローバルnew/deleteが使用するそれぞれのMPoolFixedインスタンスのメモリの調整ができるだろう。

クラスnew/deleteのオーバーロード

グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装」で示したコードのロックを、 「割り込みディセーブル/イネーブル」に置き換えることで、リアルタイム性を保障することができるが、 この機構はある程度多くのメモリを必要とするため、 極めてメモリ制限の厳しいシステムでは使用が困難である場合もあるだろう。

そのような場合、非スタック上でのオブジェクト生成には、

とし、グローバルnewを使用しないことが、より良いメモリ使用方法となり得る。

グローバルnewを使わずに動的にオブジェクトを生成するためには、

という2つの選択肢が考えられるが、すでに述べた理由によりプレースメントnewの使用は避けるべきである。 従って、その方法はクラス毎のnew/deleteのオーバーロードになる。

メモリ管理に「固定長メモリプール」で示したMPoolFixedを利用した実装例を以下に示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/class_new_delete_ut.cpp 14

    struct A {
        A() noexcept : name0{"A"} {}
        char const* name0;

        [[nodiscard]] static void* operator new(size_t size);
        static void                operator delete(void* mem) noexcept;
        static void                operator delete(void* mem, std::size_t size) noexcept;

        [[nodiscard]] static void* operator new[](size_t size)                             = delete;
        static void                operator delete[](void* mem) noexcept                   = delete;
        static void                operator delete[](void* mem, std::size_t size) noexcept = delete;
    };

    MPoolFixed<sizeof(A), 3> mpf_A;

    void* A::operator new(size_t size) { return mpf_A.Alloc(size); }
    void A::operator delete(void* mem) noexcept { mpf_A.Free(mem); }
    void A::operator delete(void* mem, std::size_t) noexcept { mpf_A.Free(mem); }

以下の単体テストが示す通り、 静的に定義したMPoolFixedインスタンスがオーバーロードしたnew/deleteから使われていることがわかる (従ってグローバルnew/deleteは使われていないこともわかる)。

    //  example/dynamic_memory_allocation/class_new_delete_ut.cpp 43

    ASSERT_EQ(3, mpf_A.GetCount());

    {
        auto a = std::make_unique<A>();
        ASSERT_STREQ("A", a->name0);
        ASSERT_EQ(2, mpf_A.GetCount());
    }
    ASSERT_EQ(3, mpf_A.GetCount());

    {
        auto a = std::make_unique<A>();
        ASSERT_STREQ("A", a->name0);
        ASSERT_EQ(2, mpf_A.GetCount());

        auto b = std::make_unique<A>();
        ASSERT_STREQ("A", b->name0);
        ASSERT_EQ(1, mpf_A.GetCount());

        auto c = std::make_unique<A>();
        ASSERT_STREQ("A", c->name0);
        ASSERT_EQ(0, mpf_A.GetCount());

        ASSERT_THROW(std::make_unique<A>(), MPoolBadAlloc);
    }
    ASSERT_EQ(3, mpf_A.GetCount());

しかし、この方法ではnewのオーバーロードを行うクラス毎に、

    //  example/dynamic_memory_allocation/class_new_delete_ut.cpp 20

    [[nodiscard]] static void* operator new(size_t size);
    static void                operator delete(void* mem) noexcept;
    static void                operator delete(void* mem, std::size_t size) noexcept;

    [[nodiscard]] static void* operator new[](size_t size)                             = delete;
    static void                operator delete[](void* mem) noexcept                   = delete;
    static void                operator delete[](void* mem, std::size_t size) noexcept = delete;

を記述しなければならず、コードクローンの温床となってしまう。 これを避けるためには、 CRTP(curiously recurring template pattern) を利用した下記のようなクラステンプレートを導入すれば良い。

    //  example/dynamic_memory_allocation/op_new.h 5

    template <typename T>
    class OpNew {
    public:
        [[nodiscard]] static void* operator new(size_t size) { return mpool_.Alloc(size); }
        static void                operator delete(void* mem) noexcept { mpool_.Free(mem); }
        static void operator delete(void* mem, std::size_t) noexcept { mpool_.Free(mem); }

        [[nodiscard]] static void* operator new[](size_t size)                             = delete;
        static void                operator delete[](void* mem) noexcept                   = delete;
        static void                operator delete[](void* mem, std::size_t size) noexcept = delete;

    private:
        static MPool& mpool_;
    };

このOpeNewを使用した「new/deleteのオーバーロードを持つ基底クラスとその一連の派生クラス」 の実装例を以下に示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/class_new_delete_ut.cpp 77

    struct A : public OpNew<A> {
        A() noexcept : name0{"A"} {}
        char const* name0;
    };

    struct B : A {
        B() noexcept : name1{"B"} {}
        char const* name1;
    };

    struct C : A {
        C() noexcept : name1{"C"} {}
        char const* name1;
    };

    struct D : C {
        D() noexcept : name2{"D"} {}
        char const* name2;
    };

    MPoolFixed<MaxSizeof<A, B, C, D>(), 10> mpf_ABCD;

    template <>
    MPool& OpNew<A>::mpool_ = mpf_ABCD;

OpNewをクラステンプレートとし、内部で利用しないテンプレートパラメータを宣言した理由は、 別のクラスからはOpNewの別インスタンスを使用できるようにするためである。

この方法は、コードが若干複雑にることを除けば、 「グローバルnew/deleteのオーバーロード」に比べ、優れているように見えてしまうかもしれないが、 下記のように、さらに派生クラスを定義してしまうとnewが失敗してしまうことがあるので注意が必要である。

    //  example/dynamic_memory_allocation/class_new_delete_ut.cpp 135

    struct Large : A {
        uint8_t buff[1024];  // mpf_ABCDのメモリブロックのサイズを超える
    };

    TEST(NewDelete_Opt, class_new_delete_fixed_derived_large)
    {
        ASSERT_EQ(10, mpf_ABCD.GetCount());
        ASSERT_THROW(auto large = std::make_unique<Large>(), MPoolBadAlloc);  // サイズが大きすぎる
    }

なお、 下記のようなクラスをnew/deleteをオーバーロードしないすべのクラスの基底クラスとすることで、 偶発的にグローバルnewを使ってしまわないようにすることもできる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/op_new_deleted.h 3

    class OpNewDeleted {
        static void* operator new(size_t size)                             = delete;
        static void  operator delete(void* mem) noexcept                   = delete;
        static void  operator delete(void* mem, std::size_t size) noexcept = delete;
    };
    //  example/dynamic_memory_allocation/class_new_delete_ut.cpp 150

    class DeletedNew : OpNewDeleted {  // プライベート継承
    };

    class DelivedDeletedNew : DeletedNew {  // プライベート継承
    };

    // DeletedNew* ptr0 { new DeletedNew };                // OpNewDeletedの効果でコンパイルエラー
    // DelivedDeletedNew* ptr1 { new DelivedDeletedNew };  // 同上

この記述方法は、コードインスペクションの省力化にも繋がるため、 OpNewを使うプロジェクトには導入するべきだろう。

STLコンテナのアロケーター

ここまで前提として来たような組み込みソフトにおいても、 その大部分のコードにリアルタイム性は不要であり、このような部分のコードにSTLコンテナが使用できれば、

等のポジティブな影響を期待できることは多い。 STLコンテナはこういった状況に備えて、ユーザ定義のアロケータを使用できるように定義されている。 ここでは、アロケータの定義例や、その使い方を示す。

STLコンテナ用アロケータ

アロケータの定義例を以下に示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator.h 7

    template <typename T>
    class MPoolBasedAllocator {
    public:
        using pointer                                = T*;
        using const_pointer                          = T const*;
        using value_type                             = T;
        using propagate_on_container_move_assignment = std::true_type;
        using is_always_equal                        = std::true_type;
        using size_type                              = size_t;
        using difference_type                        = size_t;

        template <class U>
        struct rebind {
            using other = MPoolBasedAllocator<U>;
        };

        T*   allocate(size_type count) { return static_cast<pointer>(mpool_.Alloc(count * sizeof(T))); }
        void deallocate(T* mem, size_type) noexcept { mpool_.Free(mem); }

    private:
        static MPool& mpool_;
    };

    template <class T>  // T型のMPoolBasedAllocatorはシステムに唯一
    bool operator==(MPoolBasedAllocator<T> const&, MPoolBasedAllocator<T> const&) noexcept
    {
        return true;
    }

    template <class T, class U>
    bool operator==(MPoolBasedAllocator<T> const&, MPoolBasedAllocator<U> const&) noexcept
    {
        return false;
    }

    template <class T, class U>
    bool operator!=(MPoolBasedAllocator<T> const& lhs, MPoolBasedAllocator<U> const& rhs) noexcept
    {
        return !(lhs == rhs);
    }

アロケータのパブリックなメンバやoperator ==、operator !=は、STLに従い定義している (STL allocator参照)。

上記コードからわかるようにメモリの実際のアロケーションには、 これまでと同様にMPoolから派生したクラスを使用するが、 リアルタイム性は不要であるためメモリ効率が悪いMPoolFixedは使わない。 代わりに、可変長メモリを扱うためメモリ効率がよいMPoolVariabl (「可変長メモリプール」参照)を使う。

可変長メモリプール

可変長メモリプールを生成するMPoolVariableの実装は下記のようになる (全体は巻末の「example/dynamic_memory_allocation/mpool_variable.h」に掲載する)。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_variable.h 59

    template <uint32_t MEM_SIZE>
    class MPoolVariable final : public MPool {
    public:
        MPoolVariable() noexcept : MPool{MEM_SIZE}
        {
            header_->next    = nullptr;
            header_->n_nuits = sizeof(buff_) / Inner_::unit_size;
        }

        // 中略
        ...

    private:
        using header_t = Inner_::header_t;

        Inner_::buffer_t<MEM_SIZE> buff_{};
        header_t*                  header_{reinterpret_cast<header_t*>(buff_.buffer)};
        mutable SpinLock           spin_lock_{};
        size_t                     unit_count_{sizeof(buff_) / Inner_::unit_size};
        size_t                     unit_count_min_{sizeof(buff_) / Inner_::unit_size};

        virtual void* alloc(size_t size) noexcept override
        {
            ...
        }

        virtual void free(void* mem) noexcept override
        {
            ...
        }

        virtual size_t get_size() const noexcept override { return 1; }
        virtual size_t get_count() const noexcept override { return unit_count_ * Inner_::unit_size; }
        virtual size_t get_count_min() const noexcept override
        {
            return unit_count_min_ * Inner_::unit_size;
        }

        virtual bool is_valid(void const* mem) const noexcept override
        {
            return (&buff_ < mem) && (mem < &buff_.buffer[ArrayLength(buff_.buffer)]);
        }
    };

下記のようにMPoolVariable、 MPoolBasedAllocatorを使うことでnew char[]に対応するアロケータが定義できる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 11

    namespace {
    MPoolVariable<1024 * 64> mpv_allocator;
    }

    template <>
    MPool& MPoolBasedAllocator<char>::mpool_ = mpv_allocator;

下記の単体テストは、このアロケータを使うstd::stringオブジェクトの宣言方法と、 その振る舞いを示している。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 24

    auto rest = mpv_allocator.GetCount();
    auto str  = std::basic_string<char, std::char_traits<char>, MPoolBasedAllocator<char>>{"hehe"};

    ASSERT_TRUE(mpv_allocator.IsValid(str.c_str()));  // mpv_allocatorを使用してメモリ確保
    ASSERT_GT(rest, mpv_allocator.GetCount());  // mpv_allocatorのメモリが減っていることの確認

この長い宣言は、下記のようにすることで簡潔に記述できるようになる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 34

    using mpv_string = std::basic_string<char, std::char_traits<char>, MPoolBasedAllocator<char>>;

下記のように宣言、定義することで、

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 50

    template <>
    MPool& MPoolBasedAllocator<int>::mpool_ = mpv_allocator;

    using mpv_vector_int = std::vector<int, MPoolBasedAllocator<int>>;

下記の単体テストが示す通り、std::vector<int>にこのアロケータを使わせることもできる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 61

    auto rest = mpv_allocator.GetCount();
    auto ints = mpv_vector_int{1, 2, 3};

    ASSERT_TRUE(mpv_allocator.IsValid(&ints[0]));  // mpv_allocatorのメモリであることの確認
    ASSERT_GT(rest, mpv_allocator.GetCount());  // mpv_allocatorのメモリが減っていることの確認

これまでの手法を組み合わせ下記のようにすることで、 std::stringと同等のオブジェクトを保持するstd::vectorを宣言することもできる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 72

    using mpv_vector_str = std::vector<mpv_string, MPoolBasedAllocator<mpv_string>>;

    template <>
    MPool& MPoolBasedAllocator<mpv_string>::mpool_ = mpv_allocator;
    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 94

    auto strs = mpv_vector_str{"1", "2", "3"};

    ASSERT_GT(rest, mpv_allocator.GetCount());

    for (auto const& s : strs) {
        ASSERT_TRUE(mpv_allocator.IsValid(&s));  // mpv_allocatorのメモリであることの確認
        ASSERT_TRUE(mpv_allocator.IsValid(s.c_str()));  // mpv_allocatorのメモリであることの確認
    }

しかし、下記に示すように、これまでの定義、 宣言のみではmpv_stringのnewにこのアロケータを使わせることはできない。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 121

    auto rest = mpv_allocator.GetCount();

    auto str0 = std::make_unique<mpv_string>();  // グローバルnewが使われる

    // mpv_stringのnewにはmpv_allocatorは使われない
    ASSERT_FALSE(mpv_allocator.IsValid(str0.get()));
    ASSERT_EQ(rest, mpv_allocator.GetCount());

そうするためには、さらに下記のような定義が必要になる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 108

    struct mpv_string_op_new : OpNew<mpv_string_op_new>, mpv_string {
        using mpv_string::basic_string;
    };

    template <>
    MPool& OpNew<mpv_string_op_new>::mpool_ = mpv_allocator;

このようにすることで、下記に示すように期待した動きになる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 133

    rest = mpv_allocator.GetCount();

    auto str1 = std::make_unique<mpv_string_op_new>();

    // mpv_string_op_newのnewにmpv_allocatorが使われる
    ASSERT_TRUE(mpv_allocator.IsValid(str1.get()));
    ASSERT_GT(rest, mpv_allocator.GetCount());

ただし、std::make_sharedを使用した場合、この関数のメモリアロケーションの最適化により、 下記に示すように期待した結果にならないため、注意が必要である。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 145

    rest = mpv_allocator.GetCount();

    auto str2 = std::make_shared<mpv_string_op_new>();

    // mpv_string_op_newのnewにmpv_allocatorが使われない!!!
    ASSERT_FALSE(mpv_allocator.IsValid(str2.get()));
    ASSERT_EQ(rest, mpv_allocator.GetCount());

newをオーバーロードしたクラスをstd::shared_ptrで管理する場合、下記のようにしなければならない。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 157

    rest = mpv_allocator.GetCount();

    auto str3 = std::shared_ptr<mpv_string_op_new>{new mpv_string_op_new};

    // mpv_string_op_newのnewにmpv_allocatorが使われる
    ASSERT_TRUE(mpv_allocator.IsValid(str3.get()));
    ASSERT_GT(rest, mpv_allocator.GetCount());

デバッグ用イテレータ

可変長メモリプールを使用すると、 メモリのフラグメントによりアロケーションが失敗することがあり得る。 このような事態が発生している可能性がある場合、 アロケータが保持しているメモリの状態を表示させることがデバッグの第一歩となる。

下記のコードは、そのためのインターフェースを提供する。

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_variable.h 59

    template <uint32_t MEM_SIZE>
    class MPoolVariable final : public MPool {
    public:

        // 中略
        ...

        class const_iterator {
        public:
            explicit const_iterator(Inner_::header_t const* header) noexcept : header_{header} {}
            const_iterator(const_iterator const&) = default;
            const_iterator(const_iterator&&)      = default;

            const_iterator& operator++() noexcept  // 前置++のみ実装
            {
                assert(header_ != nullptr);
                header_ = header_->next;

                return *this;
            }

            Inner_::header_t const* operator*() noexcept { return header_; }


        #if __cplusplus <= 201703L  // c++17
            bool operator==(const_iterator const& rhs) noexcept { return header_ == rhs.header_; }
            bool operator!=(const_iterator const& rhs) noexcept { return !(*this == rhs); }
        #else  // c++20

            auto operator<=>(const const_iterator&) const = default;
        #endif

        private:
            Inner_::header_t const* header_;
        };

        const_iterator begin() const noexcept { return const_iterator{header_}; }
        const_iterator end() const noexcept { return const_iterator{nullptr}; }
        const_iterator cbegin() const noexcept { return const_iterator{header_}; }
        const_iterator cend() const noexcept { return const_iterator{nullptr}; }

        // 中略
        ...
    };

このインターフェースを下記のように使用することで、

    //  example/dynamic_memory_allocation/mpool_allocator_ut.cpp 213

    for (auto mem : mpv_allocator) {
        std::cout << std::setw(16) << mem->next << ":" << mem->n_nuits << std::endl;
    }

下記のようにmpv_allocator.header_が保持するメモリの現在の状態を見ることができる (これによるとmpv_allocatorが保持するメモリの先頭付近では多少フラグメントを起こしているが、 最後に大きなメモリブロックがあるため、全体としては問題ないレベルである)。

        0x7f073afe59d0:3
        0x7f073afe5a60:3
        0x7f073afe5ac0:3
        0x7f073afe5b70:3
        0x7f073afe5c50:11
        0x7f073afe5cb0:3
        0x7f073afe5e50:13
                     0:4018

グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装」でも述べたように、 デバッグ用入出力機能からこのような出力を得られるようにしておくべきである。

エクセプション処理機構の変更

多くのコンパイラのエクセプション処理機構にはnew/deleteやmalloc/freeが使われているため、 リアルタイム性が必要な個所でエクセプション処理を行ってはならない。 そういった規制でプログラミングを行っていると、 リアルタイム性が不要な処理であるため使用しているSTLコンテナにすら、 既存のエクセプション処理機構を使わせたく無くなるものである。

コンパイラにg++clang++を使っている場合、 下記関数を置き換えることでそういった要望を叶えることができる。

関数 機能
__cxa_allocate_exception(size_t thrown_size) エクセプション処理用のメモリ確保
__cxa_free_exception(void\* thrown_exception) 上記で確保したメモリの解放

オープンソースであるstatic exceptionを使うことで、 上記2関数を置き換えることもできるが、この実装が複雑すぎると思うのであれば、 下記に示すような、これまで使用したMPoolFixedによる単純な実装を使うこともできる。

    //  example/dynamic_memory_allocation/exception_allocator_ut.cpp 15

    // https://github.com/hjl-tools/gcc/blob/master/libstdc%2B%2B-v3/libsupc%2B%2B/unwind-cxx.h
    // の抜粋
    namespace __cxxabiv1 {
    struct __cxa_exception {
        ...
    };
    SUPPRESS_WARN_END;
    }  // namespace __cxxabiv1

    namespace {

    constexpr size_t             offset{sizeof(__cxxabiv1::__cxa_exception)};
    MPoolFixed<offset + 128, 50> mpf_exception;
    }  // namespace

    extern "C" {

    void* __cxa_allocate_exception(size_t thrown_size)
    {
        auto alloc_size = thrown_size + offset;  // メモリの実際の必要量はthrown_size+offset
        auto mem        = mpf_exception.AllocNoExcept(alloc_size);

        assert(mem != nullptr);

        memset(mem, 0, alloc_size);
        auto* ret = static_cast<uint8_t*>(mem);

        ret += offset;

        return ret;
    }

    void __cxa_free_exception(void* thrown_exception)
    {
        auto* ret = static_cast<uint8_t*>(thrown_exception);

        ret -= offset;
        mpf_exception.Free(ret);
    }

以下に単体テストを示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/exception_allocator_ut.cpp 104

    auto count             = mpf_exception.GetCount();
    auto exception_occured = false;

    try {
        throw std::exception{};
    }
    catch (std::exception const& e) {
        ASSERT_EQ(count - 1, mpf_exception.GetCount());  // 1個消費
        exception_occured = true;
    }

    ASSERT_TRUE(exception_occured);
    ASSERT_EQ(count, mpf_exception.GetCount());  // 1個解放

すでに述べたが、残念なことに、この方法はC++の標準外であるため、 これを適用できるコンパイラは限られている。 しかし、多くのコンパイラはこれと同様の拡張方法を備えているため、 安易にエクセプションやSTLコンテナを使用禁止することなく、安全に使用する方法を探るべきだろう。

Polymorphic Memory Resource(pmr)

Polymorphic Memory Resource(pmr)は、 動的メモリ管理の柔軟性と効率性を向上させるための、C++17から導入された仕組みである。

C++17で導入されたstd::pmr名前空間は、カスタマイズ可能なメモリ管理を提供し、 特にSTLコンテナと連携して効率化を図るための統一フレームワークを提供する。 std::pmrは、 カスタマイズ可能なメモリ管理を標準ライブラリのデータ構造に統合するための統一的なフレームワークであり、 特にSTLコンテナと連携して、動的メモリ管理を効率化することができる。

std::pmrは以下のようなメモリ管理のカスタマイズを可能にする。

std::pmrの主要なコンポーネントは以下の通りである。

std::pmr::memory_resource

std::pmr::memory_resourceは、 ユーザー定義のメモリリソースをカスタマイズし、 std::pmr::polymorphic_allocatorを通じて利用可能にするインターフェースクラスである。

可変長メモリプールの実装で示したコードとほぼ同様の、 std::pmr::memory_resourceから派生した具象クラスの実装を以下に示す。

    //  example/dynamic_memory_allocation/pmr_memory_resource_ut.cpp 64

    template <uint32_t MEM_SIZE>
    class memory_resource_variable final : public std::pmr::memory_resource {
    public:
        memory_resource_variable() noexcept
        {
            header_->next    = nullptr;
            header_->n_nuits = sizeof(buff_) / Inner_::unit_size;
        }

        size_t get_count() const noexcept { return unit_count_ * Inner_::unit_size; }
        bool   is_valid(void const* mem) const noexcept
        {
            return (&buff_ < mem) && (mem < &buff_.buffer[ArrayLength(buff_.buffer)]);
        }

        ...

    private:
        using header_t = Inner_::header_t;

        Inner_::buffer_t<MEM_SIZE> buff_{};
        header_t*                  header_{reinterpret_cast<header_t*>(buff_.buffer)};
        mutable SpinLock           spin_lock_{};
        size_t                     unit_count_{sizeof(buff_) / Inner_::unit_size};
        size_t                     unit_count_min_{sizeof(buff_) / Inner_::unit_size};

        void* do_allocate(size_t size, size_t) override
        {
            // MPoolVariable::allocとほぼ同じ
            ...
        }

        void do_deallocate(void* mem, size_t, size_t) noexcept override
        {
            // MPoolVariable::freeとほぼ同じ
            ...
        }

        bool do_is_equal(const memory_resource& other) const noexcept override
        {
            return this == &other;
        }
    };

std::pmr::polymorphic_allocator

std::pmr::polymorphic_allocatorはC++17で導入された標準ライブラリのクラスで、 C++のメモリリソース管理を抽象化するための機能を提供する。 std::pmr::memory_resourceを基盤とし、 コンテナやアルゴリズムにカスタムメモリアロケーション戦略を容易に適用可能にする。 std::allocatorと異なり、型に依存せず、 ポリモーフィズムを活用してメモリリソースを切り替えられる点が特徴である。

すでに示したmemory_resource_variable(std::pmr::memory_resource)の単体テストを以下に示すことにより、 polymorphic_allocatorの使用例とする。

    //  example/dynamic_memory_allocation/pmr_memory_resource_ut.cpp 217

    constexpr uint32_t            max = 1024;
    memory_resource_variable<max> mrv;
    memory_resource_variable<max> mrv2;

    ASSERT_EQ(mrv, mrv);
    ASSERT_NE(mrv, mrv2);

    {
        auto remaings1 = mrv.get_count();

        ASSERT_GE(max, remaings1);

        // std::basic_stringにカスタムアロケータを適用
        using pmr_string = std::basic_string<char, std::char_traits<char>,
                                             std::pmr::polymorphic_allocator<char>>;
        std::pmr::polymorphic_allocator<char> allocator(&mrv);

        // カスタムアロケータを使って文字列を作成
        pmr_string str("custom allocator!", allocator);
        auto       remaings2 = mrv.get_count();
        // アサーション: 文字列の内容を確認

        ASSERT_GT(remaings1, remaings2);
        ASSERT_EQ("custom allocator!", str);

        ASSERT_TRUE(mrv.is_valid(str.c_str()));  // strの内部メモリがmrvの内部であることの確認

        auto str3 = str + str + str;
        ASSERT_EQ(str.size() * 3 + 1, str3.size() + 1);
        ASSERT_THROW(str3 = pmr_string(2000, 'a'), std::bad_alloc);  // メモリの枯渇テスト
    }

    ASSERT_GE(max, mrv.get_count());  // 解放後のメモリの回復のテスト

pool_resource

pool_resourceはstd::pmr::memory_resourceを基底とする下記の2つの具象クラスである。

    //  example/dynamic_memory_allocation/pool_resource_ut.cpp 10

    std::pmr::unsynchronized_pool_resource pool_resource(
        std::pmr::pool_options{
            .max_blocks_per_chunk        = 10,   // チャンクあたりの最大ブロック数
            .largest_required_pool_block = 1024  // 最大ブロックサイズ
        },
        std::pmr::new_delete_resource()  // フォールバックリソース
    );

    // vectorを使用したメモリ割り当てのテスト
    {
        std::pmr::vector<int> vec{&pool_resource};

        // ベクターへの要素追加
        vec.push_back(42);
        vec.push_back(100);

        // メモリ割り当てと要素の検証
        ASSERT_EQ(vec.size(), 2);
        ASSERT_EQ(vec[0], 42);
        ASSERT_EQ(vec[1], 100);
    }
    //  example/dynamic_memory_allocation/pool_resource_ut.cpp 38

    std::pmr::synchronized_pool_resource shared_pool;

    auto thread_func = [&shared_pool](int thread_id) {
        std::pmr::vector<int> local_vec{&shared_pool};

        // スレッドごとに異なる要素を追加
        local_vec.push_back(thread_id * 10);
        local_vec.push_back(thread_id * 20);

        ASSERT_EQ(local_vec.size(), 2);
    };

    // 複数スレッドでの同時使用
    std::thread t1(thread_func, 1);
    std::thread t2(thread_func, 2);

    t1.join();
    t2.join();

デバッグ

ソフトウェア開発にバグは付き物であり、プログラマの工数の多くはそのバグの修正に費やされる。 したがってデバッグの効率化はソフト開発効率改善の大きなポーションを占める。 このドキュメントの提言の多くはそのためのものであるが、色々な文脈に分散しており、 またそのときの論旨とは違ったため解説が不十分であったりする。

この問題を幾分緩和するためにこの章を設ける。

バグには以下のような様々な発生パターンがある。

当然ながら発生パターンの違いはデバッグ手法の有効性に大きく影響する。

共有リポジトリ内のソースコードにバグが多ければ、プログラマは各人の開発に集中できず、 それ自体が新たなバグの発生源となる。 また、共有リポジトリ内のソースコードのデバッグを行った為に、 そのプログラマの新規機能開発に充てられる工数は不足し、 これによるテスト不足は共有リポジトリ内のソースコードの新たなバグにつながる。と考えれば、 共有リポジトリ内のソースコードをクリーンに保つことも、 デバッグの効率化への重要な戦略であるといえる。

ここまでの議論からわかるように、デバッグの効率化とは、単なるデバッグ手法にとどまらず、 共有リポジトリ内のソースコードをクリーンに保つようなプロセス的な手法も包含する広範囲な内容となる。 以下に、そのための様々なアイテムを説明する。


この章の構成

   デバッガの使用
   gitの使用
   TATの短縮
    ビルド時間の短縮
    依存関係の整理

   自動単体テストの実施
   自動統合テストの実施
   事後的デバッグ
    ログの取得
    モニター

   潜在的バグの削減
   難しいバグの対処
   助成の依頼
    現象1 - 不思議なハングアップ
    現象2 - グローバル変数の破壊
    現象3 - プロセスのスローダウン
    現象4 - バックトレースが見れない
    現象5 - newしたオブジェクトの破壊
    現象6 - STLのバグ?
    現象7 - 解放後のrvalueへのアクセス

   まとめ

このドキュメントの構成に戻る。


デバッガの使用

言うまでもなく特定操作で100%発生するバグのデバッグには、デバッガの使用が適している。 windowsアプリケーションの開発では、Visual Studioが素晴らしいデバッガを提供しているため、 それを使い、ステップ実行すればまず間違いなく短時間でバグを特定できる。 linux系のアプリケーション開発においてはgdb/lldbで同様のことが言える。

問題は組み込みソフト開発の現場である。 printfデバッグが唯一のデバッグ手段となっているエンジニアをよく見かける。こういった現場では jtagデバッガを使えば大きな改善が期待できる。

また、「自動単体テストの実施」に従えば、組み込みソフト開発においても、 先に述べたような優れたデバッガを使用できる。

ランダムに発生するようなバグにおいても、デバッガは有効であることがある。 このようなバグではステップ実行でその原因を特定できないが、例えばデッドロックが起こった場合は、

のような手法が有効である。

gitの使用

言うまでもないが、新規機能を追加した後にすでに動いていた機能が動かなくなったのであれば、 新規コードが原因であると考えるのが常識的である。 このようなデグレードの原因を効率的に発見するためには、 コード追加前後での差分を見るのが理にかなっている。 バージョン管理システムを使えば、これを正確かつ簡単に行うことができる。

複数人でソフトウェア開発を行う場合、頻繁に各人の作り出すソースコードをマージする必要がある。 マージにはある一定確率でのバグ混入は避けられず、 バグが発生すればこれを直ちに修正するのが合理的なチーム運営である。 バージョン管理システムを使わずに、これを行うことは難しい。

リリースしたソフトウェアの異常動作が報告されたときに、 そのバイナリコードを生成したソースコードに完全に一致するソースコードを使用せずに、 その原因を特定することは、ほぼ不可能である。 バージョン管理システムを使わずにこれを行うことも上記同様に難しい。

このような理由(他にも多数の理由はある)から、 バージョン管理システムの導入には議論の余地はないが、 数あるバージョン管理システムの中から何を選ぶのかは意見の分かれるところである。

本ドキュメントでは以下のような観点からgitを推奨する。

gitには以下のような基本的なコマンドに加えて、

リポジトリの分散をサポートする下記のようなコマンドがある。

他にも多数のコマンドがあるが、中でも有用なのが、

である。以下にbisectの使い方を例示する。

本ドキュメントでは、「開発プロセスとインフラ」で述べたように、単体テスト、 統合テストを自動化することを推奨している。

本ドキュメントで使用するディレクトリやファイル間の依存関係を解析するためのソフトウェア depsの開発においても、当然これを実践している。

depsの開発においては、単体テスト、統合テストは下記のようなdeps/build.shによって行われる。

    //  example/deps/build.sh 3

    readonly BASE_DIR=$(cd $(dirname $0); pwd)
    readonly BASENAME="$(basename $0)"

    $BASE_DIR/../../deep/build/build_core.sh $BASE_DIR $@ -i
    # build_core.shによって下記が行われ、何らかのエラーが発生した場合、非0でexitする。
    # * ビルド & UT & IT
    # * 静的解析
    # * 動的解析

depsが、

のような状態に陥ったとする(CI(継続的インテグレーション)を導入しているソフトウェア開発では、 このような状態は珍しいことでない)。 この場合、バグが混入したリビジョンを確定することがデバッグの第一歩となる。 bisectはこれをダイレクトにサポートする。

    git bisect start xxx yyy
    git bisect run deps/build.sh

上記コマンドは、xxx~yyyのリビジョン毎にbuild.shを実行し、build.shが非0でexitした場合、 そこで停止する。これによりバグが混入したリビジョンをほぼ工数をロスすることなしに確定できる。

TATの短縮

TATとはターンアラウンドタイムの略語であり、一度の試行に要する時間を指す。 デバッグのTATが短ければ短いほどデバッグ効率が良くなることは明らかだろう (これとは対をなす概念が「事後的デバッグ」である)。

再現性の悪いバグには、様々なテストパターンを試す、環境を変えてみる、 等の運任せの手法も時には必要になるが、以下のような戦略的アプローチが最も有効である。

ビルド時間の短縮

ビルド時間を短くするためには、下記等が施策となる。

ビルドツールが並列コンパイルをサポートしているのであれば (「コンパイラ」で述べたしたメーカのIDEは並列コンパイルができなかった)、 上記したような高スペックのビルドマシンを導入することで、 工数負担なしにコンパイル時間の改善ができる。 多少費用は増えるが、人件費とは比較にならないほど安価である(「開発ツール」参照)。

各プログラマがフルビルドを一日に何度も行うことはないので、 実践的には差分ビルドが有効になるように依存関係を見直すのが良い。 ただし、これには「依存関係の整理」で説明したような努力が必要である。

依存関係の整理

パッケージとその構成ファイル」で述べたようにソースコードをパッケージ分割し、 そのパッケージをライブラリとしてまとめ、ライブラリ間の循環依存がないようにすることで、 差分ビルドは有効に働くことが多い(その場合、当然無駄なインクルードもしない必要がある)。

このようなライブラリ構成は、

等他にも良い影響があるため、この構造を維持するべきである。 そのためには、

等が必要になる。

自動単体テストの実施

自動単体テストは、

等の効果を期待できるため、現在のソフトウェア開発において欠かすことができない手法である。

自動統合テストの実施

自動統合テストは、

等の効果を期待できるため、現在のソフトウェア開発において欠かすことができない手法である。

depsに関しても、以下のシェルスクリプトにより自動統合テストを実現している。

    //  example/deps/it.sh 6
    function help(){
        echo "$BASENAME  [option]"
        echo "    -a BIN : BIN is test target(default:./g++/deps)"
        echo "    -d     : debug mode"
        echo "    -h     : show this message"

        exit $1
    }

    ...

    function test_a2pu() {
        local -r exp=$1
        local -r in=$2
        local -r act=${exp}.act
        rm -f $act

        $APP a2pu -i $in -o $act $dir
        diff $exp $act

        rm $act
    }

    ...

    echo test_a 0         && test_a it_data/a_ut_data.txt it_data/p2p_ut_data.txt 
    echo test_a2pu 0      && test_a2pu it_data/pu_ut_data.pu it_data/p2p_ut_data.txt 
    echo test_a2pu 1      && test_a2pu it_data/pu_ut_data_s.pu it_data/p2p_ut_data_s.txt
    echo test_deps_fake   && test_deps_fake
    echo test_deps_dep    && test_deps_dep
    echo test_deps_dep2   && test_deps_dep2

上記でも使ったunix系のコマンドは、

ため、 The Art of Command Line 等を参考に学習するべきである。

事後的デバッグ

多くのバグは、組織の公式なテストやユーザによって発見されるため(ユーザには発見されたくないが)、 その解析にデバッガが使えないことはよくあることである。 このような場合でも、ホスト上のソフトウェアであれば、 メモリダンプを取り、事後的にデバッガを利用することはできるが、 このアプローチが必ずしも効果的とは限らない。 また、組み込みソフトの場合、メモリダンプの取得ですら簡単ではない。

ここでは、そのような場合に有効な手法について解説する。

ログの取得

第三者によってバグが報告された場合、 デバッグのファーストステップは、そのバグを手元で再現させることになるが、 その第三者からバグ発生時の正確な手順を聞き出すことは困難である。また、聞き出せたとしても、 もし、そのバグが簡単に再現しない場合、その手順を完全に信じることは難しい。

こういったことに備えるために、 ソースコードにあらかじめログを仕込んでおくことは昔から行われてきており、今なお有効な手法である。

depsの開発にもログは有効であり、

    //  example/deps/logging/h/logging/logger.h 11

    namespace Logging {
    class Logger {
    public:
        static Logger& Inst(char const* filename = nullptr);

        template <typename HEAD, typename... TAIL>
        void Set(char const* filename, uint32_t line_no, HEAD const& head, TAIL... tails)
        {
            auto   path     = std::string_view{filename};
            size_t npos     = path.find_last_of('/');
            auto   basename = (npos != std::string_view::npos) ? path.substr(npos + 1) : path;

            os_.width(12);
            os_ << basename << ":";

            os_.width(3);
            os_ << line_no;

            set_inner(head, tails...);
        }

        ...

    private:
        void set_inner() { os_ << std::endl; }

        template <typename HEAD, typename... TAIL>
        void set_inner(HEAD const& head, TAIL... tails)
        {
            using Nstd::operator<<;
            os_ << ":" << head;
            set_inner(tails...);
        }

        template <typename HEAD, typename... TAIL>
        void set_inner(char sep, HEAD const& head, TAIL... tails)
        {
            using Nstd::operator<<;
            os_ << sep << head;
            set_inner(tails...);
        }

        ...
    };
    }  // namespace Logging

    #define LOGGER_INIT(filename) Logging::Logger::Inst(filename)
    #define LOGGER(...) Logging::Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__, __VA_ARGS__)
    //  example/deps/app/src/deps_opts.h 53

    std::string          ToStringDepsOpts(DepsOpts const& deps_opts, std::string_view indent = "");
    inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, DepsOpts const& opts)
    {
        return os << ToStringDepsOpts(opts);
    }
    //  example/deps/app/src/main.cpp 43
    std::unique_ptr<Dependency::ScenarioGenerator> gen_scenario(App::DepsOpts const& opt)
    try {
        using namespace Dependency;

        switch (opt.GetCmd()) {
        case App::DepsOpts::Cmd::GenPkg:
            LOGGER("start GenPkg");
            return std::make_unique<PkgGenerator>(opt.In(), opt.IsRecursive(), opt.Dirs(),
                                                  opt.Exclude());
        case App::DepsOpts::Cmd::GenSrc:
            LOGGER("start GenPkg");
            return std::make_unique<SrcsGenerator>(opt.In(), opt.IsRecursive(), opt.Dirs(),
                                                   opt.Exclude());
            ...
        }
    }
    catch (std::runtime_error const& e) {
        LOGGER("error occured:", e.what());

        std::cerr << e.what() << std::endl;

        return std::make_unique<ScenarioGeneratorNop>(false);
    }

    ...

    int main(int argc, char* argv[])
    {
        App::DepsOpts d_opt{argc, argv};

        LOGGER_INIT(d_opt.Log() == "-" ? nullptr : d_opt.Log().c_str());

        LOGGER("Options", '\n', d_opt);

        auto out_sel   = OStreamSelector{d_opt.Out()};
        auto exit_code = gen_scenario(d_opt)->Output(out_sel.OStream()) ? 0 : -1;

        LOGGER("Exit", exit_code);

        return exit_code;
    }

によりログを取得している。これにより以下のような内容のログファイルが取得できる。

    app/src/main.cpp:109:Options
    cmd       : GenPkg
    in        : 
    out       : 
    recursive : true
    src_as_pkg: false
    log       : it_data/log_exp.txt.act
    dirs      : ut_data
    exclude   : 
    parsed    : true
    app/src/main.cpp: 51:start GenPkg
    app/src/main.cpp:114:Exit:0

なお、組み込みソフトの場合、ファイルが使えないこともよくあるため、ログをメモリ上にストアし、 モニターの機能によりそれを吸い上げる必要がある(ファイルが使える場合にもこれは同様である)。

モニター

先に書いた通り、組み込みソフトの場合、バグ発生後にメモリダンプを取り、 後からデバッガで調査することは難しい。 また、ログを取っていた場合でもそれを吸い上げる方法が無ければ、それを利用できない。 このような場合には、あらかじめデバッグ用の機能を入れることが有効である。 本ドキュメントではこういった機能をモニタープログラム、あるいは単にモニターと呼ぶ。

モニターには以下のような機能が必要である。

レジスタダンプは、CPU例外場所の特定やコールスタックの構築には欠かせない機能であるが、 使用しているCPUやコンパイラの仕様を理解しなければ実装できない。 ARMを使っているのであれば、 https://developer.arm.com/ 等のネットドキュメントに十分情報が掲載されている。 他のランタイム系にも同様のドキュメントは提供されているはずである。

実装難度が高い、もしくは時間がない等の理由でこういった機能の実装をおろそかにすれば、 必ずと言っていいほど極度に解析困難なバグに悩まされることになる。

メモリ保護機能

組み込みソフトは、仮想アドレスを使わず、 直接ハードウエアアドレスを使って動作することが一般的である。 その場合、CPUのデフォルトの設定では、リードオンリー領域 (インストラクション、文字列リテラル、constなPOD等)に対してもライトアクセスできるため、 例えば、クラスへのポインタにnullptrが代入された状態で、 そのポインタをデリファレンスし、ライト系のメンバ関数を呼び出せば(ptr->f()のような呼び出し)、 0アドレス付近のコードが破壊される。

多くのCPUでは、この領域には割り込みベクタが配置されているため、CPU例外が発生する。 それを捕捉する機能が実装されていなければソフトは暴走する。 CPU例外を捕捉する機能が実装されている場合でも、 その例外コードは「不正なインストラクションの実行」を示すことがほとんどであるため、 真の原因特定は難しい。

使用しているCPUがメモリ保護機能(MMUやMPUと呼ばれることが多い)をサポートしているのであれば、 それを使いリードオンリー領域を保護することで、このような状況を回避することができる。

適切にメモリ保護機能を活性化した状態でも、リードオンリー領域にライトアクセスした場合、 やはりCPU例外が発生するが、CPU例外を捕捉し、その時のレジスタをダンプすれば、 「リードオンリー領域にライトアクセスしたインストラクションが配置されているアドレス」 を特定することができる。 後は、ツールチェーンに付属するaddr2line、readelf、objdump、nmのようなバイナリ解析ツールを使い、 アドレスからソースコードを特定すればよい。

ただし、jtagデバッガを使用する場合、メモリ保護機能の設定には注意が必要である。

jtagデバッガがブレークポイントを設定する方法は2つある。一つはハードウェアブレークであり、 他方はソフトウェアブレークである。ソフトウェアブレークを設定する場合、 デバッガは、一時的に「ブレークを指定されたソースコードに対応するインストラクション」 に「ソフトウェアブレークするためのインストラクション」を上書きする。

メモリ保護をしている場合、jtagデバッガによるこの動作はCPU例外を発生させることがある。 これを避けるためには、一時的にメモリ保護機能を不活性にすればよい。 これをモニターから実行できるコマンドとして実装すると便利である。

スタック消費量の計測

強固なメモリ保護を持つOS上のソフトウェアがスタックのオーバーフローを起こした場合、 それを示す例外コードが、コアダンプ等の何らかの方法で通知されるため、 多くの場合、デバッグはそれほど困難ではない。

組み込みソフトの場合でのスタックオーバーフローは、 「スタックに割り当てられたメモリのすぐ上にある領域が破壊される」 というデバッグ困難な現象を引き起こす (これにより、メモリ破壊だけではなくスレッドの暴走等も起こり得る)。

こういったことを防ぐには、スタックをある特定のバイト列(0xdeadbeaf等)でフィルし、 スタックの消費量を計測できるようにすることが重要である (0xdeadbeafでないデータが書き込まれている最上位アドレスまでが使われたと判断できる)。 当然ながらスタックの消費量を表示するコマンドはモニターから実行できれば便利である。

潜在的バグの削減

すでに述べたように共有リポジトリ内のソースコードをクリーンに保つことは、デバッグの効率化に繋がる。 そのためにの手段として以下の三点が有効である。

静的解析ルールと違い動的解析ツールは、プログラムを動作させなければバグを発見できないが、 CI(継続的インテグレーション)と組み合わせれば、 効率的に運用できる(「自動統合テストの実施」参照)。

なお、depsに関しても、以下のようにすることで単体テスト、 統合テスト時にsanitizerによる動的解析を行っている。

    //  example/deps/Makefile 174

    ut: $(EXES_UT_DONE)  # 単体テスト用ターゲット

    it: $(EXE_IT_DONE)  # 統合テスト用ターゲット

    SANITIZER_DIR=sanitizer/
    .PHONY : sanitizer
    san:  # g++ sanitizerビルド
        $(MAKE) O=$(SANITIZER_DIR) \
            SANITIZER_OPT="-fsanitize=address,leak,undefined,float-divide-by-zero,float-cast-overflow"

    san-ut: sanitizer  # g++ sanitizerバイナリでの単体テスト
        make O=$(SANITIZER_DIR) ut

    san-it: sanitizer  # g++ sanitizerバイナリでの統合テスト
        make O=$(SANITIZER_DIR) it

難しいバグの対処

一般に下記のような現象の原因特定は難しい。その再現性が悪いとなおさらそうなる。

本ドキュメントの提言に従ってソフトウェア開発を進めれば、 そのリスクを低く保てるが、それでもこのようなバグは発生する。

ハングアップについては、ログの取得デバッガの使用 が有効なデバッグ方法となることが多い(もちろん組み込みの場合は、モニターが必要である)。 また、バージョンが特定できるのであればgitのdiff/bisect等(「デバッガの使用」参照)が役に立つ。

リソースの枯渇については、 scan-buildやcoverity等の静的解析ツール(「潜在的バグの削減」参照)を使うことで、 ピンポイントでリーク箇所を特定できることがあるため、 まずはこれらを使ってみることを推奨する。 これで発見できない場合、動的解析ツールの使用を検討するべきだろう。

恒久的には、 「RAII(scoped guard)」で紹介したようなリソースの自動解放のパターンを使用し、 そもそもこのような問題が発生しないように改善するべきだろう。

バグの性質上、再現/回帰テストには長時間のアプリケーション動作が必要になることがある。 テスターにひたすらクリックさせるようなテストは非効率であるだけでなく、 人道的にも問題になるかもしれないため、自動統合テストの実施も必須になる。

不正メモリアクセス、不正な命令の実行に関しては、下記のようなメモリ破壊を疑うべきだろう。

これらに関しても、上記したような静的/動的解析ツールの活用が有効になる場合が多い。 これで問題が発見できない場合、以下のような知識が必要になる。

これらの知識はC++プログラマの基本スキルセットの一部だと思うが、 実際にはこれらの知識を持たないプログラマも少なくない。 そのようなプログラマにはこれを良い機会と捉え、新知識の習得に励んでほしいが、 目の前に迫った納期の前に、そのような悠長なことを言っていられないこともあるだろう。 そのような場合は、上級なプログラマに助成(「助成の依頼」参照)を頼むこと以外、 建設的なデバッグ方法はない (やみくもにソースコードを眺めたり、 ログやprintfを仕込んでも、よほどの幸運でもない限りバグは見つからない)。

助成の依頼

ここでのデバッグの「助成の依頼」とは以下のいずれかを指す。

「動作説明を聞いてもらう」相手は、同プロジェクトのプログラマがベストであるが、 実際には難しいことが多い。こういった時(ほとんどの場合そうなるが)には、相手は誰でもいい。 それすらできない場合、ペットでも無生物でも良い。 他者に説明することで、自分の理解を確めることができ、 エアポケットに落ち込んでしまった見落としを発見できる可能性が高くなる。

「一緒にデバッグしてもらう」相手は、 「難しいバグの対処」で述べたような知識豊富なプログラマで無ければならない。 これができるか否かは、日頃の人付き合いに依存するが、知識豊富なプログラマの多くは、 人から頼られることを拒否しない(当然状況によるが、通常は喜んで手伝ってくれるはず)。

下記に筆者が他者から助成を頼まれた事例を取り上げる。 もしこのような現象を独力で解決できる自信がないのであれば、 まずは、思い切って依頼してみることだ。

現象1 - 不思議なハングアップ

この現象は、モニター機能を実装した組み込みソフトウェアのテストで起こった。 あるプログラマが、自分の書いた機能を長時間テストするために、 Tera Termをターゲットボードに接続し、 そのソフトウェアに組み入れたテストをTera Termから起動して帰宅した。 翌日出社するとそのテストは途中でハングアップしてるように見える状態で止まっていた。 彼はなんとなく、Tera Termにリターンキーを入力した。すると、途中で止まっていたテストが再び走り出し、 数時間後に完了した。この状態でできることはほとんどないので、彼は何もなかったことにして、 その日の帰宅前にまた同様のテストを走らせた。次の朝、また同じことが起きたため、 この現象のデバッグに取り掛かろうとしたが、やり方が全く分からなかった。

この日の朝会はすでに終わっていたため、次の日の朝会でこの現象を報告し、助成を求めた。

この報告を聞いて難問題であることを確信した私は、すぐにでもデバッグを手伝いたかったが、 後2、3日かかるプログラミングの最中であったため、 彼に「その現象のTATがもっと短いテストパターンを探る」ように指示し、自分の作業をつづけた。 2日後、TATが30分までに短縮されたこの現象のデバッグに参加した。

このデバッグの難しさは、この現象が起こっている時にモニターから何か文字を打ち込むと、 ハングアップ状態が解けてしまうことであった。

現象からRTOSのバグであると推測して、jtagデバッガでRTOSのリソースを観察して、以下のことが分かった (RTOSのリソースはより便利にモニターから見れたが、モニターを使うとこの現象が霧散してしまうため、 この機能は使えない)。

RTOSの仕様では、

となっていた (このような詳細仕様は、通常ドキュメントには書かれていない。 また、書かれていてもそもそもRTOSを疑っているのだからその情報は信じられないため、 RTOSのコードハック以外の方法はない)。

以上から、

を意味する。 このような中途半端な状態はディスパッチャ内でしか発生しないので、以下のことが分かったことになる。

現象2 - グローバル変数の破壊」で書いたような方法により、 この現象が変数破壊でないことを確信した我々はさらにRTOSのコードハックを続けた。

ディスパッチャは、ディスパッチャ自身に割り込まれることがあるため、 カレントスレッドポインタやレディーキューにアクセスするときに割り込みを禁止し、 その処理の終了後に割り込みを許可する(これをクリティカルセクションの保護と言う)。 もしクリティカルセクションの保護をしなければこの現象が起こせることが分かったが、 クリティカルセクションを保護しているソースコード内のインラインアセンブラに問題がないことも分かり、 デバッグは行き詰った。 とはいえ、放置できる問題でもないため、コンパイル後のバイナリを逆アセンブルして、 動作を確かめることにした。これは苦痛に満ちた作業だが、他の方法を思いつかなかった。

そして、ようやく原因を特定できた。 「割り込み許可を行うインストラクション」と 「カレントスレッドポインタへNULLを代入するインストラクション」の順番が、 ソースコードに書かれている順番と逆になっており、 このためカレントスレッドポインタの操作が割り込みから保護されていなかったのだ。

結果はRTOSのバグではなく、 コンパイラのバグ(最適化に伴うインストラクションの不適切な入れ替え)であった。

一旦ソースコードにこのバグのワークアラウンドを入れ、コンパイラメーカーにこの現象を報告した。 2か月後にこのバグが修正されたコンパイラがリリースされたため、 ソースコードを元に戻し、この問題が再現しないことを確認してこの問題をクローズした。

現象2 - グローバル変数の破壊

新人プログラマから以下のような現象の助言を求められた。

この現象を聞いて、まず疑ったのは「そのメンバ変数に0を代入していないつもりになっているだけで、 実際には0を代入している」ことであったため、ソースコードレビューをしたのだが、 問題は見つからなかった(ソースコードが汚いことは分かったが)。

次に行うべきは、「この現象が静的メモリの破壊である」ことの確定である。 壊されたと推定されたオブジェクトの前後に以下のようなオブジェクトを挿入して、 再現テストをすることにした。

    uint32_t pad0[] = { 0xdeadbeaf, 0xdeadbeaf, 0xdeadbeaf, ... };
    Collaps  collaps_obj;    // 破壊を疑っているオブジェクト。実際はシングルトンだった。
    uint32_t pad1[] = { 0xdeadbeaf, 0xdeadbeaf, 0xdeadbeaf, ... };

ここで注意すべきは、この変更で静的オブジェクトの配置が大きく変わっていないことを確かめることである。 linuxの場合、それにはnmコマンドが最適である。

参考のため、「deps」の実行形式バイナリにnmを適用した例を示す。

    > nm --demangle g++/deps

    000000000008b000 D __data_start
    00000000000085b0 t __do_global_dtors_aux
    0000000000089ff8 d __do_global_dtors_aux_fini_array_entry
    000000000008b008 D __dso_handle
                     U __dynamic_cast@@CXXABI_1.3
                     U __errno_location@@GLIBC_2.2.5
    0000000000089fa8 d __frame_dummy_init_array_entry
                     w __gmon_start__

    ...

                     U abort@@GLIBC_2.2.5
    000000000008b440 B optarg@@GLIBC_2.2.5
    000000000008b590 B optind@@GLIBC_2.2.5
    0000000000008570 t register_tm_clones
                     U strchr@@GLIBC_2.2.5
                     U strcmp@@GLIBC_2.2.5
                     U strtol@@GLIBC_2.2.5
                     U tolower@@GLIBC_2.2.5

nmにより挿入前後でpad0、pad1以外に並びが変わっていないことを確認した後、再現テストを行い (ASLRを行うOS上のアプリケーションの場合、それを非活性化することも必要である)、 pad0の1ワードだけが0になっていることを確認できた。これでメモリ破壊であることが確定した (さらに運のいいことに、0が書かれていたアドレスはpad0、pad1挿入前後で同じであった)。

もし、「デバッガの使用」で説明したようなことが可能ならば、 pod0への書き込みアドレスにライトトラップをかけて再現テストを行えば、 不正なデータの書き込み個所を特定できる。 この例の場合もデバッガを使用しバグを特定した。

デバッガが使用でいない場合でもやり方はいくつかあるが、最も単純なのはassert()を使う方法である。

このバグの場合、疑うべきは静的な配列のオーバーランである。 nmによりリストアップした静的な配列のライトアクセス箇所のインデックスに下記のようなコードを挿入して、 再現テストを行えばよい。

    assert(0 <= index && index < array_length(global_array));

静的な配列へのライトアクセス箇所が多い場合、苦痛な作業となるが、 典型的なアンチパターンである静的な変数を多用した罰である考え、その苦痛を受け入れるべきだろう。

現象3 - プロセスのスローダウン

組み込みlinuxでの開発で起こったこの現象は、 usbストレージに大量のデータをコピーするプロセスがスローダウンするというものであった。 この問題を最初に聞いたのは、この対処に私が加わる3か月ほど前であった。 この時、難問であるとは思ったが、リリースまでまだ日数があったことと、担当が海外のチームだったため、 スルーした。

3ヶ月後、このチームサイトに出張した折、この問題がまだ解決できていないことを知った。 彼らがこの3ヵ月でこの問題に対して行ったことは、

等であった。ここから推測されることは、

ということである。

チックの生成がどうなっているかを聞いたが誰も答えられなかったため、 ソースコードからそのドライバを探し出した。 subversionの履歴から、このコードはこのチームが一年ほど前に作ったことが分かったため、 担当者を呼び出しソースコードレビューを行い、以下のような怪しいコードを見つけた。

    #define CHICK_REG_ADDR  0x00.....
    #define CHICK_REG_VALUE ((volatile ulonglong*)CHICK_REG_ADDR)

    ...

    ulonglong chick = CHICK_REG_VALUE;

    if(chick_previous > chick) { // chick_previous: 前回ロードしたchick
        ... // 桁上り対策
    }

この辺りのハードウェアの仕様は良く知らなかったが、 チックを作り出すチップとCPUはおそらく32ビットバスで繋がっていたはずである。 すぐにハードウェアの担当者に連絡を取り、32ビットバスであることを確認した。 (経験の長いエンジニアやチームリーダーはチームをまたがる情報に簡単にアクセスできるため、 彼らに助成を依頼すべき理由の一つになる)。

この開発で使用していたgccでのulonglongは64ビットであるため、

    ulonglong chick = CHICK_REG_VALUE;

は以下のように段階的に読み込まれ、それぞれの値を合わせることでchickの値が生成される。

  1. chick0 = (チックレジスタ63-32ビットの値)
  2. chick1 = (チックレジスタ31-0ビットの値)
  3. chick = (chick0 << 32) | chick1

チックレジスタの値が0x0000’0000’ffff’ffffのような場合、上記1でchick0には0がロードされるが、 上記2はそれより少し遅れて実行されるため桁上りが起こりほとんど0の値がchick1にロードされる。 上記3によりchickもほどんど0のような値になるため、前回ロードしたchickの値よりも小さい値となる。 これは長い時間が経過したことを表してしまうため、 現在実行中のプロセスがきわめて多くのCPUタイムを使用したことになり、 linuxのスケジューラはこのプロセスのプライオリティを最低に引き下げた。

これがこの問題のメカニズムだった。メカニズムさえわかってしまえば対処は簡単である。 担当者はすぐにコードを修正し、私がそれをレビューした後、 1時間でこの問題を再現させられるスクリプトによりテストを開始した。 2日後、問題がないことを確かめてこの問題をクローズした。

現象4 - バックトレースが見れない

関数Aが関数Bを呼び出した場合、Bの処理の完了後、 「AがBを呼び出したアドレスの次のアドレス」に戻る必要がある。 このアドレスを記録するためのレジスタをリターンアドレスレジスタと呼ぶことにする。 さらにBが関数Cを呼び出す場合、リターンアドレスレジスタは「BがCを呼び出したアドレスの次のアドレス」 で上書きされる。こうなるとBからAに戻れなくなるため、 BはCを呼び出す前にリターンアドレスレジスタをスタックにプッシュする。

デバッガのバックトレース機能を実行して表示される関数一覧は、 スタックに保存されたものを含むリターンアドレスレジスタから生成される。 従って、ソフトウェアがクラッシュした時、バックトレースが見れない原因は、

のいずれかであると思って良いが、C/C++からスタックポインタを破壊することは難しいため、 OSの開発でない限り、スタック破壊を疑うべきである。

スタックが破壊された影響でバックトレースが見れない場合でも、 ほとんどの場合、多少は表示されるため、スタック破壊が発生する関数を絞り込める。 そのような関数群に下記のようなログを仕込むことでバグの個所をさらに絞り込める。

    // どこかの.cpp内で以下の定義
    char const* global_last_func;

    // 絞り込んだ関数の先頭行
    extern char const* global_last_func;
    global_last_func = __func__;

該当する関数群が複数のスレッドから呼び出される場合、thread_localを使った工夫が必要になるが、 概ね同様のアプローチでバグが発生した関数を特定できる。

基本的なデバッグ方法であるため、わざわざ説明する必要はないかとも思ったが、 「バックトレースが見れないこと」と「その原因のほとんどがスタック破壊であること」 の論理的な繋がりを知らないプログラマが多いため、この節を書いた。

現象5 - newしたオブジェクトの破壊

「開発中のソフトウェアが毎回違う場所でクラッシュする」現象について助力を求められたことがある。 クラッシュ時にデバッガからthisを表示すると毎回違うクラスであるという。 こういった場合、下記のようなコードが原因であると推測できる。

newした配列(「メモリアロケーション」参照)やstd::vector等のオーバーランに関しては、 多くの場合、「潜在的バグの削減」で触れたようなコード解析で発見できるが、 このチームはすでにこの方法を試して、効果がないことを確認していた。 この現象につながるような静的解析での指摘もないことから、 再現したらメモリダンプを取るように指示して現場を後にした。

数日後、メモリダンプを解析するよう依頼を受けたため、 デバッガを使用して壊されたオブジェクトを観察し、オブジェクトの破壊を確認した。 thisをいくら見ても壊れていること以外何もわからないので、thisアドレス辺りを16進数表示してみた。

アドレスからその型を特定することは極めて難しいが、この場合は幸運だった。 16進数表示の中にヒープのアドレスらしきバイト列があったので、そこをさらに16進数表示して、 ASCII文字列のようなバイト列を発見した。このバイト列をソースコードから検索すると、 下記のようなコードを発見できた。

    // f.cpp
    void f(char* s) {

        // sの後ろへの書き込み
        ...
    }

    // g.cpp
    g() {
        std::string s = "xxx";

        ...

        f((char*)s.c_str());

        ...
    }

最近CプログラマからC++プログラマに鞍替えした人が書いてしまったコードだそうだ (このようなコードはCでもダメだが)。

現象6 - STLのバグ?

あるプロジェクトの朝会でのこと。 プログラマの一人がSTLのバグを発見したということで、他のメンバに注意を喚起した。 このプロジェクトで使用していたコンパイラは広く使われているものだったので、 そんなことはないだろうと思いつつ、念のために確認するとコードは下記のようなものだった。

    //  example/etc/debug.cpp 13
    class Pred {  // 0を最大3個まで見つける
    public:
        Pred() noexcept {}
        bool operator()(int32_t i) noexcept
        {
            if (found_ > 2) {
                return false;
            }

            if (i == 0) {
                ++found_;
                return true;
            }

            return false;
        }

    private:
        size_t found_{0};
    };

    TEST(Debug, no_ref)
    {
        auto v = std::vector{0, 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 5};

        v.erase(std::remove_if(v.begin(), v.end(), Pred{}), v.end());

    #if 0  // 本来ならば下記のテストがパスするはずだが。
        ASSERT_EQ((std::vector<int32_t>{0, 1, 2, 3, 4, 5}), v);
    #else
        ASSERT_EQ((std::vector<int32_t>{1, 2, 3, 4, 5}), v);
    #endif
    }

なるほど、初心者がよくやるミスである。

STLの関数は引数オブジェクトをコピーすることがあるため、下記のように書くべきだ。

    //  example/etc/debug.cpp 49
    TEST(Debug, ref)
    {
        auto v    = std::vector{0, 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 5};
        auto pred = Pred{};

        v.erase(std::remove_if(v.begin(), v.end(), std::ref(pred)), v.end());

        ASSERT_EQ((std::vector<int32_t>{0, 1, 2, 3, 4, 5}), v);
    }

この程度の述語であればラムダ式を使い下記のように書いても良いだろう。

    //  example/etc/debug.cpp 61
    TEST(Debug, lambda)
    {
        auto v = std::vector{0, 0, 0, 0, 1, 2, 3, 4, 5};

        auto found = 0;
        auto it    = std::remove_if(v.begin(), v.end(), [&found](int32_t i) noexcept {
            if (found > 2) {
                return false;
            }

            if (i == 0) {
                ++found;
                return true;
            }

            return false;
        });
        v.erase(it, v.end());

        ASSERT_EQ((std::vector<int32_t>{0, 1, 2, 3, 4, 5}), v);
    }

このちょっとした事件で、このチームは、ありがちなSTLの誤用パターンを認知できた。 また、このバグはcopyコンストラクタを= deleteすれば防げたため、 改めて「特殊メンバ関数」で指摘したことの重要性を確認することもできた。 と考えれば、この程度の知識で全員に注意を喚起した彼の勇気を称えるべきだろう。

現象7 - 解放後のrvalueへのアクセス

下記の関数gen_strは、

    //  example/etc/debug.cpp 86

    std::string gen_str(std::string const& str)
    {
        return do_heavy_algorithm(str);  // 何らかの重い処理
    }

下記のように文字列リテラルから変換されたされたstd::stringオブジェクトである rvalueを引数に取ることができる。

    //  example/etc/debug.cpp 96

    auto str = gen_str("haha");  // "haha"は、std::string{"haha"}に変換される

このテンポラリオブジェクトは、それをバインドしたリファレンスがスコープアウトするまで存在するため、 gen_strの仮引数リファレンスでバインドされたstd::stringオブジェクトであるrvalueは、 この関数がリターンするまで存在し続ける。 この仕様により、gen_str内ではこの仮引数に安全にアクセスすることができる。

この関数の処理が重すぎたため、下記のように並列化したが、これにより動作が不安定になった。

    //  example/etc/debug.cpp 104

    std::future<std::string> gen_future(std::string const& str)
    {
        return std::async(std::launch::async, [&str] { return do_heavy_algorithm(str); });
    }

この関数は、下記のような呼び出しでクラッシュしてしまうことがある。

    //  example/etc/debug.cpp 129

    auto f = gen_future("haha");

上記関数gen_futureの中で、

  1. ラムダ式が生成され、そのラムダ式はrvalueのリファレンスをメンバとして保持する。
  2. そのラムダ式を引数としたstd::asyncによりスレッドが生成される。
  3. それを保持したstd::futureが生成され、関数がリターンする。

のようなことが行われ、この後、

  1. gen_futureの呼び出しにより生成されたstd::stringオブジェクトであるrvalueは破棄される。

これはgen_futureを実行するコンテキスト上で行われるが、

  1. それとは別のコンテキスト(スレッド)上でラムダ式が実行される。

上記4, 5のどちらが先に実行されるかは、その状況に依存するが、 4が5より先に実行された場合、このラムダ式は、すでに破棄されたrvalueへアクセスしてしまい、 クラッシュを引き起こす。

これの修正は、下記のようにラムダ式のリファレンスキャプチャをコピーキャプチャにすれば良い。

    //  example/etc/debug.cpp 139

    std::future<std::string> gen_future(std::string const& str)
    {
        return std::async(std::launch::async, [str] { return do_heavy_algorithm(str); });
        //                                     ^^^ コピーキャプチャ
    }

gen_futureと同様の仕様を持つ以下の関数

    //  example/etc/debug.cpp 166

    std::thread gen_thread_lambda(std::string const& str, std::string& str_out)  // str_outに結果出力
    {
        return std::thread{[&str, &str_out] { str_out = do_heavy_algorithm(str); }};
    }

にも、下記のように呼び出すことで、ほぼ同様の問題が発生する。

    //  example/etc/debug.cpp 193

    auto str_out = std::string{};
    auto t       = gen_thread_lambda("haha", str_out);

    t.join();

これの修正も、下記のようにラムダ式のリファレンスキャプチャをコピーキャプチャにすれば良い。

    //  example/etc/debug.cpp 206

    std::thread gen_thread_lambda(std::string const& str, std::string& str_out)  // str_outに結果出力
    {
        return std::thread{[str, &str_out] { str_out = do_heavy_algorithm(str); }};
        //                  ^^^ コピーキャプチャ
    }

gen_thread_lambdaのC++03のスタイルである以下の関数

    //  example/etc/debug.cpp 236

    void thread_entry(std::string const& str, std::string& str_out)
    {
        str_out = do_heavy_algorithm(str);
    }

    std::thread gen_thread_func(std::string const& str, std::string& str_out)  // str_outに結果出力
    {
        return std::thread{thread_entry, std::ref(str), std::ref(str_out)};
    }

にも、やはり同様の問題が発生する。

上記修正とほぼ同様に、下記のようにリファレンス渡しをコピー渡しにすれば修正できる。

    //  example/etc/debug.cpp 278

    void thread_entry(std::string str, std::string& str_out)
    //                            ^^^ コピー渡し
    {
        str_out = do_heavy_algorithm(str);
    }

    std::thread gen_thread_func(std::string const& str, std::string& str_out)  // str_outに結果出力
    {
        return std::thread{thread_entry, str, std::ref(str_out)};
        //                               ^^^ コピー渡し
    }

以上で見てきたように、C++ではリファレンスがわかりづらいバグを生み出してしまうことが良くある。 リファレンスを使わなければこのような問題を避けることができるが、実行速度が遅くなり、 C++を使用する意味がなくなる。

従って、C++で効率よくプログラミングするためには、 このような微妙な問題を的確に記述できなければならない。

まとめ

おぞましいことだが、修正の難しいバグをその場しのぎ手法(グローバル変数を使う等)で回避したり、 周知されていない再現性の低いバグをなかったことにする等の、 プロとしてあるまじき行為への誘惑にかられることがある。 ガッツはそういった悪魔のささやきにあらがうための重要な要素だが、 そのような精神論のみらなず、このドキュメントで示したような手法を自在に使えるようになることが、 おぞましい行為から自身を守る手段となる。

一旦ダークサイドに落ちてしまえば、それは習慣となり、そこでプログラマとしての成長は終わる。 そうならないために学習あるのみである。

開発ツール

この章で触れる開発ツールとは、以下の3つである。

開発ツールはプログラマの生産性に大きく影響を及ぼすため、 ソフトウェア開発プロジェクトにとって極めて重要なファクターである。


この章の構成

   コンパイラ
   デバッガ
    printfデバッグ

   エディタ/IDE
   筆者の開発ツール環境
    vim/neovimの設定

   費用

コンパイラ

コンパイラの要件とは、以下のようなものである。

当然の事柄のように思えるかもしれないが、ある大手半導体メーカ純正のコンパイラ(IDE)は、 言語規約に準拠しておらず、下記のようなコードが警告すらなくコンパイルできた。

    int f(char const* arg)
    {
        char* arg_local = arg;  // <- これがコンパイルできてしまう。

        ...
    }

さらに驚くことに、組み込みソフトウェア専用のコンパイラであるにもかかわらず、 上記constをvolatileとしても同様にコンパイルできた。

これらバグは指摘しても修正されず、少なくとも数年にわたって放置された。 筆者がこのコンパイラを使う機会をなくしたため、修正されたかどうかは未確認である。 プログラマのちょっとしたミスを指摘できない、このようなコンパイラを使ってはならない。

私がお勧めするのは以下のコンパイラである。

他にもたくさんあるはずである。 コンパイラの選定は重要な事項と心得て慎重に選んでほしい。

なお、windowsアプリケーションの開発にもclang/clang++は適用でき、 その場合、sanitizerを使用できる。Visual Studio 19でもaddress sanitizerは使用できるようなので、 windowsアプリケーションの開発にはsanitizerを用いることことを強く推奨する。

デバッガ

当然ながらデバッガは下記を選択するのが良いだろう。

組み込みソフトウェアに関しては少々事情が異なる。 本ドキュメントでは、組み込みソフトウェアに関して、 PC上のコンパイラを使用した単体テストを推奨している(「単体テストのサポートツール」参照)。 これに従うのであれば、単体テストのコンパイル、デバッグには、 通常のアプリケーション開発と同様に上記の3つの組み合わせのいずれかを使うのが良いだろう。

組み込みソフトウェアのターゲットのデバッグに関しては、gdb等のリモート機能を使える場合もあるが、 多くの場合jtagデバッガを使う必要がある。専用のハードウェアが必要なため多少高価になるが、 工数の方がよほど高価であることを忘れてはならない (ただし、半導体メーカ純正品よりもサードパーティ品の方が、数分の一の費用である場合があるので注意)。

printfデバッグ

printfデバッグとは、printf()やstd::coutを使ったデバッグ手法のことである。 これ自体はそれなりに有効な手段であり、完全に否定はできないが、 これ以外にデバッグ手法を知らないプログラマに出会うと、 現在に蘇ったネアンデルタールに見えてしまう。 ホモ・サピエンスの名に恥じないプログラマになるために最新のデバッガを導入しよう。 導入でロスした時間はデバッグの効率化でお釣りが来る。

エディタ/IDE

エディタ/IDEの良し悪しについて語ることには、宗教論争ような危険が伴う。 「宗論はどちら負けても釈迦の恥」というように、不毛な戦いは避けるべきであるが、 とはいえ、各プログラマにその選択の全権を与えるのも問題である。

開発プロジェクトでは、下記の要件を満たすようなエディタ/IDEを使い、 それらの設定ファイル等もバージョン管理システムで管理し、 同一エディタ/IDEを使うメンバが共有できるようにするべきである。

以下にエディタ/IDEに求められる要件を上げる。

多くの要件を上げたが、このような条件をほぼ満たすエディタ/IDEは少なくない。 例を上げる。

少なく見積もってもこれだけの選択肢があるのであるから、 間違っても日本国内でのみで流通しているようなローカルなエディタ/IDEを使ってはならない。

筆者の開発ツール環境

筆者は、windows、cygwin、linuxでソフトウェアを開発する必要があるため、一般のプログラマと比べ、 少々事情は異なると思うが、参考のためC++での開発ツールを紹介する。

vim/neovimの設定

参考のため、このドキュメントを作成するために筆者が使用しているvim/neovimの設定やプラグイン、 その管理方法を紹介する。 vim/neovimの設定について興味がなければ、「費用」まで飛んでほしい。

設定ファイルと管理

このドキュメント作成時、cygwinパッケージにはneovimは存在せず、 優れたコード補完機能はneovimでなければ動作しない。 このドキュメントのコードはcygwin、linux両方でビルドでき、 少なくともg++でのバイナリはそれぞれの環境で正常動作できるようにしなければならない。 開発とは関係ないが、windows上での複雑なテキスト編集にはwindows版gvim(gui vim)を使用したい。 また、「DRYの原則」の通り、それぞれの環境でそれぞれの設定をしたくない。

これからの条件を満たすためのvim/neovimの設定ファイルは、

を正しく初期化できる必要がある。 また、これらが別々に進化しないように一つのリポジトリで管理できるのが良い。 筆者の場合は、クラウド上のgitでvim_configリポジトリとして管理している。

以下、順を追ってvim_configリポジトリとして管理しているファイルについて簡単に説明する。 詳細については「vim」を参照してほしい。

ドキュメント

ファイル 機能
vim_config/README.md リポジトリの説明、インストール手順
vim_config/nvim/cheatsheet.md 自分用ヘルプやtodo

初期化

ファイル 機能
vim_config/nvim/init.vim nvim初期化
vim_config/nvim/org.vim 基本設定
vim_config/nvim/package.vim 外部パッケージ初期化
vim_config/vim/gvimrc gvim初期化
vim_config/vim/vimrc vim初期化
vim_config/vim.sh エイリアス等の設定
vim_config/inputrc gdb設定

独自スクリプト

c/c++編集
ファイル 機能
vim_config/nvim/autoload/next_file.vim xxx.cpp xxx.h xxx_ut.cpp切り替え
vim_config/nvim/plugin/next_file.vim 同上
vim_config/nvim/plugin/ctags_ext.vim ctags作成
vim_config/nvim/plugin/dev_env.vim 開発用画面設定
vim_config/nvim/autoload/termdbg.vim gdb連動
vim_config/nvim/plugin/termdbg.vim 同上
bash起動
ファイル 機能
vim_config/nvim/autoload/term.vim :terminal設定
vim_config/nvim/plugin/term.vim 同上
git連動
ファイル 機能
vim_config/nvim/autoload/git_diff.vim git diffをvimdiffで表示
vim_config/nvim/plugin/git_diff.vim 同上
vim_config/nvim/autoload/git_session.vim mksessionやpath設定
vim_config/nvim/plugin/git_session.vim 同上
ファイルタイプ設定
ファイル 機能
vim_config/nvim/ftplugin/c.vim c/c++ファイルのインデント等
vim_config/nvim/ftplugin/python.vim pythonファイルのインデント等
vim_config/nvim/ftplugin/ruby.vim rubyファイルのインデント等
その他
ファイル 機能
vim_config/nvim/autoload/buffers.vim バッファエクスプロー
vim_config/nvim/plugin/buffers.vim 同上
vim_config/nvim/autoload/grep.vim grep
vim_config/nvim/plugin/grep.vim 同上
vim_config/nvim/autoload/cd.vim カレントディレクトリの変更
vim_config/nvim/plugin/cd.vim 同上
vim_config/nvim/autoload/multi_hl.vim マルチハイライト
vim_config/nvim/plugin/multi_hl.vim 同上
vim_config/nvim/plugin/clear_undo.vim undo履歴クリア
vim_config/nvim/plugin/keybind.vim キーバインドの設定
vim_config/nvim/plugin/scratch.vim スクラッチウインド
vim_config/nvim/plugin/path_set.vim pathの追加
vim_config/nvim/rplugin/python3/next_file.py pythonでのプラグイン例

外部パッケージ

パッケージ 機能
Shougo/dein.vim 外部パッケージ管理
roxma/nvim-yarp 補完
roxma/vim-hug-neovim-rpc 補完
Shougo/deoplete.nvim 補完
zchee/deoplete-clang C++補完
Shougo/neoinclude.vim 補完
tpope/vim-fugitive Git連動
reireias/vim-cheatsheet 自分用ヘルプ
mattn/vim-maketable MDテーブル
aklt/plantuml-syntax Plant Umlサポート

費用

コンパイラ、デバッガ、エディタ/IDEの費用は、 ライセンス形態によっては総額が単価×プログラマの人数となるため、 プロジェクトやそのプロジェクトを所有する事業体にとっては重荷になる。

それでも人件費に比べれば一桁以上安いはずなので、 金を出し惜しんでプログラマの生産性を落としては本末転倒であるが、 その金を管理する人々にはそのことが理解できないため、予算申請が却下されることは珍しくない。

そうならないためには、プログラマといえども会計の知識が必要である (とはいえ、基本的知識のみで十分である)。

一般にプロジェクトに必要なお金は2つに分けられる。

プロジェクトの経費には、

等が含まれる。固定資産の償却費とは、長く使用するもの(通常は高額)を年割で費用化したものである。 これだけでは、初見の人には何のことか全くわからないので例を上げる。

あるプロジェクトのために固定資産の購入費を使用し100万円のコンパイラを買ったとする。 話を単純にするため、会社では定額償却するとした場合(実際には定額と定率がある)、 コンパイラの耐用年数は5年(税法で決まっている)であるため、100万円÷5年で、 一年間20万円の費用が掛かると考える。これが固定資産の償却費である。 最初に100万円払ったのにまた払うのかと思うかもしれないが、 最初の100万円は同じ価値の固定資産(コンパイラ)になっただけであるため、 経費会計上、費用は掛かっていないと考えることになっているので矛盾はない。

実際にはコンパイラの代金100万円はこの会社からコンパイラ販売会社に支払われるため、 会社が持っているキャッシュは100万円減る。 が、上記したようにプロジェクトの初年度には20万円しか使っていないことになる (キャッシュが無くなれば会社は倒産するのだから、これが黒字倒産の仕組みである)。

このような仕組みがあるため、キャッシュが少ない会社では固定資産の申請は却下されやすい (キャッシュリッチな会社でも上場している場合は、固定資産の増加を嫌う傾向がある)。

一方で、このコンパイラをサブスクリプションで月額16,667円の契約した場合(5年で100万円)、 この費用はプロジェクトの経費に組み込まれる。

ここまででツール購入の会計知識は十分である。

ここで考えてほしいのは、一括購入100万円とサブスク16,667円/月のどちらが予算申請を通りやすいのか、 ということである。通常の会社では100万円の決済は課長レベルではできないが、16,667円/月の決済ならば、 チームリーダーレベルでできるはずである。 自分たちが使うツールはサブスクができないとの意見もあるだろうが、 リース会社を通すことでほとんどのツールはサブスク化可能である (この場合少し費用が高くなるが、万事うまく行く案等そうそうない)。

費用レスで十分な機能をもつツールが多いのだから、なるべくそれらを使うべきだと思うが、 どうしても必要な高額ツールの購入には、こういった方法を駆使してプログラマの生産性向上を図ってほしい。

deps

一般的に、ある程度の規模のソフトウェアのソースコードは下記のようにファイルツリーとして管理され、 ディレクトリによりソースコードは機能毎に分割される。

    deps
    ├── app
    │   ├── *.cpp or *.h
    │   └── ...
    ├── dependency
    │   ├── *.cpp or *.h
    │   └── ...
    ├── file_utils
    │   ├── *.cpp or *.h
    │   └── ...
    ├── lib
    │   ├── *.cpp or *.h
    │   └── ...
    └── logging
        ├── *.cpp or *.h
        └── ...

このような場合、各ディレクトリはヘッダファイルを持つため、ディレクトリ間に依存関係が発生する。 このディレクトリをパッケージとみなすことにより、以下のように図示することができる。

常識的にはこのような依存関係には双方向や循環がない方が好ましい。

良好な、または意図した依存関係をキープするためには、 以上で示した依存関係を簡単に図示する方法が必要になる。

そのための市販のツールを購入することもできるが、 やりたいことに完全にマッチしたものがあるわけではないため、 この章では、専用のツールdepsを開発する。

通常、このようなツールの開発にはpythonやrubyが適しているが、 このドキュメントの目的に合わせて、depsはC++で開発し、 コードツリーは、 ディレクトリ、ファイル構成に掲載する。


この章の構成

   depsの使い方
    ユースケース-循環依存を発見した場合、非0でexitする
    ユースケース-C++のソースコードを含むディレクトリを探す
    ユースケース-ディレクトリをパッケージとみなして、パッケージとソースコードの関係を示す
    ユースケース-パッケージ間の依存関係を示す
    ユースケース-パッケージ間の依存関係を構造的に表す
    ユースケース-パッケージ間の依存関係をplant umlで表す
    ユースケース-ソースコード間の依存関係をplant umlで表す
    ユースケース-パッケージでないディレクトリをそれとみなさない
    ユースケース-depsを用いてdepsの依存関係を調べる

   ディレクトリ、ファイル構成
   makeによる依存関係の維持

depsの使い方

depsのコマンドオプションを以下に示す。

    deps CMD [option] [DIRS] ...
       CMD:
             p    : generate package to OUT.
             s    : generate srcs with incs to OUT.
             p2s  : generate package and srcs pairs to OUT.
             p2p  : generate packages' dependencies to OUT.
             a    : generate structure to OUT from p2p output.
             a2pu : generate plant uml package to OUT from p2p output.
             cyc  : exit !0 if found cyclic dependencies.
             help : show help message.
             h    : same as help(-h, --help).

       options:
             --in IN     : use IN to execute CMD.
             --out OUT   : CMD outputs to OUT.
             --recursive : search dir as package from DIRS or IN contents.
             -R          : same as --recursive.
             --src_as_pkg: every src is as a package.
             -s          : same as --src_as_pkg.
             --log LOG   : logging to LOG(if LOG is "-", using STDOUT).
             --exclude PTN : exclude dirs which matchs to PTN(JS regex).
             -e PTN      : same as --exclude.

       DIRS: use DIRS to execute CMD.
       IN  : 1st line in this file must be
                 #dir2srcs for pkg-srcs file
             or
                 #dir for pkg file.

depsの仕様は入り組んでいるため、細かく機能を説明するより、 以下の各ユースケースで使い方を示した方がdepsの理解が容易であると判断した。

におけるdepsの使い方や出力等を示す。

ユースケース-循環依存を発見した場合、非0でexitする

このツールの主な目的は、パッケージ間の循環依存を検出することである。 このユースケースは、これを実現する方法を提示する。

ソースコードを含むディレクトリut_data/で下記のようにすれば、 ディレクトリをパッケージとみなした依存関係が循環した場合、depsは非0でexitする。

    > ./g++/deps p2p -R -s --out p2p.txt ut_data/
    > ./g++/deps cyc --in p2p.txt

CIのチェック項目(「CI(継続的インテグレーション)」参照)に上記を導入することで、 循環の無い依存関係を維持することができる。

下記に、「ディレクトリが必ずしもパッケージに対応するわけではない」場合の対処法を掲載する。

ユースケース-C++のソースコードを含むディレクトリを探す

以下のコマンドは、CMD pによりut_data/配下のソースコードを含むディレクトリを探す。

    > ./g++/deps p -R ut_data/

アウトプットは以下のようになる。

    #dir
    ut_data/app1
    ut_data/app1/mod1
    ut_data/app1/mod2
    ut_data/app1/mod2/mod2_1
    ut_data/app1/mod2/mod2_2
    ut_data/app2

–out OUT-FILEを指定すれば、上記出力はOUT-FILEに書き出される。 OUT-FILEを適切に編集し、他のCMDの入力(–in IN-FILE)に使用することもできる。

ユースケース-ディレクトリをパッケージとみなして、パッケージとソースコードの関係を示す

以下のコマンドは、CMD p2sによりut_data配下のディレクトリをパッケージとみなして、 パッケージとソースコードの関係を出力する。

    > ./g++/deps p2s -R ut_data/

アウトプットは以下のようになる。

    #dir2srcs
    ut_data/app1
        ut_data/app1/a_1_c.c
        ut_data/app1/a_1_c.h
        ut_data/app1/a_1_cpp.cpp
        ut_data/app1/a_1_cpp.h
    
    ... 中略 ...
    
    ut_data/app1/mod2/mod2_2
        ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp
        ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h

    ut_data/app2
        ut_data/app2/b_1.cpp
        ut_data/app2/b_1.h

ユースケース-パッケージ間の依存関係を示す

以下のコマンドは、CMD p2pによりdeps/ut_data配下のパッケージとの依存関係をp2p.txtに出力する。

    > cd ./deps
    > ./g++/deps p2p -R --out p2p.txt ut_data/

アウトプットは以下のようになる。

    #deps
    ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod1 : 2 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp
    ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1 : 0
    
    ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2 : 0
    ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1 : 0
    
    ... 中略 ...
    
    ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app2 : 0
    ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2 : 0
    
    ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h
    ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h
    
    ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app2 : 0
    ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 0
    
    ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app2 : 0
    ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 0

例を上げて、上記の意味を説明する。

[例]

    ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h
    ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h

[例の意味]

ユースケース-パッケージ間の依存関係を構造的に表す

以下のコマンドは、CMD aにより上記p2p.txtを構造的に出力する。

    > ./g++/deps a  --in p2p.txt

アウトプットは以下のようになる。

    #arch
    package  :app1:CYCLIC
    parent   :TOP
    depend_on: {
        mod1 : CYCLIC
    }
    children : {
        package  :mod1:CYCLIC
        parent   :app1
        depend_on: {
            mod2 : STRAIGHT
            mod2_2 : CYCLIC
        }
        children : { }

        package  :mod2
        parent   :app1
        depend_on: { }
        children : {
            package  :mod2_1:CYCLIC
            parent   :mod2
            depend_on: {
                mod2_2 : CYCLIC
            }
            children : { }

            package  :mod2_2:CYCLIC
            parent   :mod2
            depend_on: {
                app1 : CYCLIC
                mod2_1 : CYCLIC
            }
            children : { }
        }
    }

    package  :app2
    parent   :TOP
    depend_on: {
        app1 : STRAIGHT
        mod1 : STRAIGHT
    }
    children : { }

ディレクトリ名の後ろの

ことを示している。

ユースケース-パッケージ間の依存関係をplant umlで表す

以下のコマンドは、CMD a2puにより上記p2p.txtをplant uml形式で出力する。

    > ./g++/deps a2pu  --in p2p.txt

アウトプットは以下のようになる。

    @startuml
    scale max 730 width
    rectangle "app1" as ut_data___app1 {
        rectangle "mod1" as ut_data___app1___mod1
        rectangle "mod2" as ut_data___app1___mod2 {
            rectangle "mod2_1" as ut_data___app1___mod2___mod2_1
            rectangle "mod2_2" as ut_data___app1___mod2___mod2_2
        }
    }
    rectangle "app2" as ut_data___app2

    ut_data___app1 "6" <-[#red]-> "1" ut_data___app1___mod1
    ut_data___app1 "3" <-[#red]-> "1" ut_data___app1___mod2___mod2_1
    ut_data___app1 "3" <-[#red]-> "2" ut_data___app1___mod2___mod2_2
    ut_data___app2 "3" -[#green]-> ut_data___app1
    ut_data___app1___mod1 "1" -[#green]-> ut_data___app1___mod2
    ut_data___app1___mod1 "1" <-[#red]-> "2" ut_data___app1___mod2___mod2_1
    ut_data___app1___mod1 "1" <-[#red]-> "4" ut_data___app1___mod2___mod2_2
    ut_data___app2 "4" -[#green]-> ut_data___app1___mod1
    ut_data___app1___mod2___mod2_1 "1" <-[#red]-> "2" ut_data___app1___mod2___mod2_2
    ut_data___app2 "2" -[#green]-> ut_data___app1___mod2___mod2_1
    ut_data___app2 "2" -[#green]-> ut_data___app1___mod2___mod2_2

    @enduml

このアウトプットをplant umlオンラインジェネレータ のテキストボックスに貼り付ければpngファイルが得られ、視覚的に依存関係を把握できる。

実際に上記plantumlのファイルをレンダリングしたpngファイルの描画を以下に示す。

ユースケース-ソースコード間の依存関係をplant umlで表す

ソースコードをパッケージとみなすオプション(-sもしくは–src_as_pkg)を付加して、 これまでの説明と同様のことを行うと、

    > ./g++/deps p2p -R -s --out p2p.txt ut_data/
    > ./g++/deps a2pu  --in p2p.txt --out p2p.pu

ソースコードの依存関係がplant uml形式で得られる。

ユースケース-パッケージでないディレクトリをそれとみなさない

depsのソースコードを含むdependency/hは、 dependencyパッケージのインターフェースを外部公開するためのものであり、 dependencyのサブパッケージではない。 このような場合、dependency/h/deps_scenario.hのようなファイルは、 dependencyに直接属するように扱うべきであるが、 このツールがファイル構造からそれを読み解くことは不可能である。

このような場合に対処する方法は下記の3通りある。

    --exclude ".*/h/?.*"

ユースケース-depsを用いてdepsの依存関係を調べる

depsを用いてdepsの依存関係を調べてみよう。

まずは下記のコマンドで依存関係を調べる。

    > cd comprehensive_cpp/example/deps     # comprehensive_cppはTOP_DIR
    > ./g++/deps p2p -R --out p2p.txt .
    > ./g++/deps a2pu  --in p2p.txt --out deps.pu

上記のほとんどデフォルトのパラメータでは以下のようなパケージ図となるため、役に立たない。 原因はテスト用のコードと、各ディレクトリの配下の「h、src、ut」がパケージとみなされるためである。

この問題を回避するため、パッケージを定義する必要がある。 パッケージの定義のためにはまず以下のようなコマンドを実行し、p.txtを生成し、 それを修正するのが良い。

    > ./g++/deps p -R --out p.txt .
    > cat p.txt
    #dir
    app/src
    app/ut

    ... 省略

    ut_data/app1/mod1
    ut_data/app1/mod2
    ut_data/app1/mod2/mod2_1
    ut_data/app1/mod2/mod2_2
    ut_data/app2

上記のようなp.txtを下記のように修正する。

    > cat p.txt
    #dir
    app
    dependency
    file_utils
    lib
    logging

このパッケージの定義ファイルを使用し以下のコマンドを実行することで、 deps.puを生成する。

    > ./g++/deps p2p  --in p.txt --out p2p.txt .    # 最後の引数はディレクトリ(忘れがち)
    > ./g++/deps a2pu  --in p2p.txt --out deps.pu

deps.puをレンダリングすることで以下のイメージを得ることができる。

なお、plant_umlのレンダリングには適切な環境設定が必要であるが下記の実行が便利である。

    > <TOP_DIR>/md_gen/export/sh/pu2png.sh deps.pu

ディレクトリ、ファイル構成

下記のをファイルツリーは上記を表す。

    deps
    ├── makefile                    # makeでもビルドできる
    ├── CMakeLists.txt              # cmakeのルートCMakeLists.txt
    ├── app                         # パケージappはエクスポートするヘッダはないためhもない
    │   ├── CMakeLists.txt
    │   ├── src
    │   │   ├── deps_opts.cpp
    │   │   ├── deps_opts.h
    │   │   └── main.cpp
    │   └── ut
    │       └── deps_opts_ut.cpp    # utはsrcにアクセスできる
    ├── dependency
    │   ├── CMakeLists.txt
    │   ├── h
    │   │   └── dependency          # このディレクトリにエクスポートするヘッダを配置
    │   │       └── deps_scenario.h
    │   ├── src
    │   │   ├── arch_pkg.cpp
    │   │   ├── arch_pkg.h
    │   │   ├── cpp_deps.cpp
    │   │   ├── cpp_deps.h
    │   │   ├── cpp_dir.cpp
    │   │   ├── cpp_dir.h
    │   │   ├── cpp_src.cpp
    │   │   ├── cpp_src.h
    │   │   ├── deps_scenario.cpp
    │   │   ├── load_store_format.cpp
    │   │   └── load_store_format.h
    │   └── ut                      # utはh、srcにアクセスできる
    │       ├── arch_pkg_ut.cpp
    │       ├── cpp_deps_ut.cpp
    │       ├── cpp_dir_ut.cpp
    │       ├── cpp_src_ut.cpp
    │       ├── deps_scenario_ut.cpp
    │       └── load_store_format_ut.cpp
    ├── file_utils
    │   ├── CMakeLists.txt
    │   ├── h
    │   │   └── file_utils      # このディレクトリにエクスポートするヘッダを配置
    │   │       ├── load_store.h
    │   │       ├── load_store_row.h
    │   │       └── path_utils.h
    │   ├── src
    │   │   ├── load_store_row.cpp
    │   │   └── path_utils.cpp
    │   └── ut
    │       ├── load_store_row_ut.cpp
    │       └── path_utils_ut.cpp
    ├── lib
    │   ├── CMakeLists.txt
    │   ├── h
    │   │   └── lib             # このディレクトリにエクスポートするヘッダを配置
    │   │       └── nstd.h
    │   └── ut
    │       └── nstd_ut.cpp     # utはh、srcにアクセスできる
    └── logging
        ├── CMakeLists.txt
        ├── h
        │   └── logging         # このディレクトリにエクスポートするヘッダを配置
        │       └── logger.h
        ├── src
        │   └── logger.cpp
        └── ut                  # utはh、srcにアクセスできる
            └── logger_ut.cpp

例えば、dependencyの外部公開ヘッダを配置するためのディレクトリ

dependency/h/dependency

は冗長に見える。コンパイラオプションのインクルードパスにdependency/h指定することにより、 dependencyをインポートするソースコードのインクルードディレクティブは下記のように記述することになる。

    //  example/deps/dependency/src/deps_scenario.cpp 7

    #include "cpp_deps.h"                  // 実装用ヘッダファイル
    #include "cpp_dir.h"                   // 実装用ヘッダファイル
    #include "cpp_src.h"                   // 実装用ヘッダファイル
    #include "dependency/deps_scenario.h"  // dependencyパッケージからのインポート
    #include "file_utils/load_store.h"     // file_utilsパッケージからのインポート
    #include "lib/nstd.h"                  // libパッケージからのインポート

上記から明らかな通り、このソースコードの外部パッケージとの依存関係が明確になる。 このようなインクルードディレクトリを下記のように指定することでこのような記述が可能になる。

    //  example/deps/dependency/CMakeLists.txt 19

    # dependency.aをリンクするファイルに
    # ../dependency/h ../file_utils/h ../lib/h
    # のヘッダファイルを公開する

    target_include_directories(dependency PUBLIC ../dependency/h ../file_utils/h ../lib/h)

CMakeの公式ガイドラインや一般的な慣習に沿ったこの構造とインクルードディレクティブの記述様式は、 プロジェクトの可読性と保守性を向上させるために推奨される方法である。 冗長に見えるディレクトリ名も、プロジェクト全体の理解を容易にするために有効である。

depsの各パッケージの依存関係は、

のようになっている。

当然ながら、「パッケージとその構成ファイル」で述べた構造と相似である。

なお、utディレクトリを各パッケージ内のサブパッケージとした場合の依存関係は、

のようになっており、整理された依存関係であるといえる。

パッケージとその単体テスト用ソースコードへのヘッダファイル公開は、 必要以上に公開範囲を広げないようにするために下記のように行われる。

    //  example/deps/dependency/CMakeLists.txt 38

    # dependency_ut_exeはdependency.aの単体テスト
    # dependency_ut_exeが使用するライブラリのヘッダは下記の記述で公開される
    target_link_libraries(dependency_ut_exe dependency file_utils logging gtest gtest_main)

    # dependency_ut_exeに上記では公開範囲が不十分である場合、
    # dependency_ut_exeが使用するライブラリのヘッダは下記の記述で限定的に公開される
    # dependency_ut_exeにはdependency/src/*.hへのアクセスが必要
    target_include_directories(dependency_ut_exe PRIVATE ../../../deep/h src)

ソースコードの構成をdepsのようにすることを推奨する。

makeによる依存関係の維持

ビルドツールにmake、コンパイラにg++やclang++を使うのであれば、

    //  example/deps/Makefile 86
    ### logging
    INC_LOGGER=-Ilib/h -Ilogging/h  # インクルードパスの指定

    # 指定されたインクルードパスを使用したコンパイル
    $(O)logging/src/%.o : logging/src/%.cpp
        $(CXX) $(INC_LOGGER) $(SANITIZER_OPT) $(CCFLAGS) -c -o $@ $<

    # 指定されたインクルードパスを使用したUTのコンパイル
    $(O)logging/ut/%.o : logging/ut/%.cpp
        $(CXX) $(INC_UT) $(INC_LOGGER) $(SANITIZER_OPT) $(CCFLAGS) -c -o $@ $<

    # ライブラリの生成
    $(LOGGER_A) : $(LOGGER_OBJS)
        ar cr $@ $^

    # UT実行バイナリの生成
    $(O)logging_ut : $(LOGGER_UT_OBJS) $(FILE_UTILS_A) $(LOGGER_A) $(DEPENDENCY_A) $(GTEST_LIB)
        $(CXX) -o $@ $^ -lpthread  -lstdc++fs $(SANITIZER_OPT) 

    ### file_utils
    INC_FILE_UTILS:=-Ilib/h -Ilogging/h -Ifile_utils/h  # インクルードパスの指定

    # 指定されたインクルードパスを使用したコンパイル
    $(O)file_utils/src/%.o : file_utils/src/%.cpp
        $(CXX) $(INC_FILE_UTILS) $(SANITIZER_OPT) $(CCFLAGS) -c -o $@ $<

    # 指定されたインクルードパスを使用したUTのコンパイル
    $(O)file_utils/ut/%.o : file_utils/ut/%.cpp
        $(CXX) $(INC_UT) $(INC_FILE_UTILS) $(SANITIZER_OPT) $(CCFLAGS) -c -o $@ $<

    # ライブラリの生成
    $(FILE_UTILS_A) : $(FILE_UTILS_OBJS)
        ar cr $@ $^

    # UT実行バイナリの生成
    $(O)file_utils_ut : $(FILE_UTILS_UT_OBJS) $(FILE_UTILS_A) $(LOGGER_A) $(GTEST_LIB)
        $(CXX) -o $@ $^ -lpthread -lstdc++fs $(SANITIZER_OPT) 

とすることで、ビルド時に循環依存を作らないことを担保することができる (「アーキテクチャの設計」参照)。

CMakeやVisual Studioを含むほとんどのビルドツールでも同様のことは可能である (逆に言えば、このようなことができないビルドツールを使うべきではない)。

C++の進化と主な変更点

C++は、時代と共に進化を続け、その表現力と効率性が大きく向上してきた。 この章では、C++11以降にて導入された主要な機能や変更点を概観し、各バージョンがもたらした技術的な進展を示す。


この章の構成

   C++11の主な新規機能
    一般機能
    型に対する機能
    テンプレートに対する機能
    スレッドに関する機能
    その他のユーティリティ
    stdの変更、追加

   C++14の主な新規機能
    stdの変更、追加

   C++17の主な新規機能
    新機能、規制緩和

   C++20の主な新規機能
    構文の新機能、規制緩和
    構文の新機能、規制緩和の例
    template関連
    template関連の新機能、規制緩和の例

   C++23の主な新規機能

このドキュメントの構成に戻る。


C++11の主な新規機能

一般機能

機能 説明
型推論(auto) 変数や、式の型の推論
decltype 式の型を取得
範囲for文 インデックス変数なしのfor文
初期化子リストコンストラクタ vector v = {1, 2, 3}; など。
一様初期化   コンストラクタの呼び出しを、波カッコで行う。
rvalue/moveセマンティクス オブジェクトの所有権の移転、高速化。
ラムダ式 関数オブジェクトをその場に書く
noexcept 関数の例外指定、例外を投げる可能性のある式かbool値を返す演算子
constexpr 定数式やconstexpr関数の定義
nullptr ヌルポインタを表すポインタリテラル
インライン名前空間 ネストした名前空間に透過的にアクセスする。「名前空間」参照
ユーザー定義リテラル ユーザにより定義されたリテラル。標準ライブラリでは_sや_svなど

型に対する機能

機能 説明
特殊メンバ関数のdefault/delete 宣言 自動定義される特殊関数の制御
委譲コンストラクタ コンストラクタから他のコンストラクタに処理を委譲する
NSDMI 非staticメンバ変数の宣言と同時に初期値指定する
継承コンストラクタ 基底クラスのコンストラクタの継承
virtual関数のoverride/final宣言 オーバーライド」参照
変換演算子のオーバーロードのexplicit宣言 演算子オーバーロード」参照
friend 宣言の対象を拡張 テンプレートパラメータ、エイリアスfriend 宣言できるように
メンバ関数のrvalue修飾/lvalue修飾 オブジェクトのexpressionと値カテゴリでの呼び出し可能であることの指定
スコープドenum スコープを持ち、型付の強いenum。
unionの保持できるオブジェクトの拡張 unionでクラスオブジェクトをもつことを許可

テンプレートに対する機能

機能 説明
テンプレート引数の指定に>>の許可 vector<list> のような記述の許可。「テンプレートメタプログラミング」参照
extern template テンプレートのインスタンス化の抑止
エイリアステンプレート エイリアスをテンプレート化できる
パラメータパック 任意の数のテンプレートパラメータを受け取れるようにする
テンプレートパラメータ型の制限の緩和 ローカル型と無名型を、テンプレート引数として使用することを許可
任意の式によるSFINAE 特定の式がill-formedか否かで、その関数をオーバーロード解決に含めるかどうかを決定する
テンプレートのエクスポート機能 削除

スレッドに関する機能

機能 説明
スレッドローカルストレージ スレッドごとに異なる静的記憶域に保持される変数
ブロックスコープのstatic変数初期化のスレッドセーフ化 関数ローカルで定義したstatic変数の初期化をスレッドセーフに。「Singleton」参照

その他のユーティリティ

機能 説明
戻り値の型を後置する関数宣言構文 戻り値型」参照
コンパイル時アサート コンパイル時に条件式が真であることをassertする。「assertion」参照
生文字列リテラル 文字列リテラルにRプレフィックスを付けることで、エスケープシーケンスを無視する。
char16_tとchar32_t UTF-16とUTF-32の文字型
UTF-8文字列リテラル char の文字列をUTF-8エンコーディングするプレフィックス
属性構文 [[attr]]構文による属性指定。[[noreturn]]など。「return文」参照
alignas アライメントを指定する。「固定長メモリプール」参照
alignof アライメントを取得する。「固定長メモリプール」参照

stdの変更、追加

stdコンテナ

コンテナ全般がmoveセマンティクスに対応したため、 テンプレートのパラメータTが、コピー構築可能(is_copy_constructible<T> == true)な型だけでなく、 ムーブ構築(is_move_constructible)のみ可能な型も受け付けるられるようになった。 push_back()やinsert()等の要素追加のためのメンバ関数が、 新たな要素のコピーだけでなく、emplace() 、emplace_back() 、emplace_front()のような名称のメンバ関数は、 rvalueオブジェクトも受け取れて、 move挿入ができるようになった(「その他のテンプレートテクニック」参照)。

機能 説明
std::array このコンテナは固定長配列クラスを表す「配列」参照)。
std::forward_list このは単方向リンクリストの実装である。
std::unordered_map 同一キーの要素を複数格納しない、格納順が規定されていない連想配列の実装であるである。
std::unordered_set 同一キーの要素を複数格納できず、格納順が規定されていないコンテナである。
std::type_index 型情報型を連想コンテナのキーとして使用するためのクラス。

C++14の主な新規機能

機能 説明
2進数リテラル 2進数を表す0bもしくは0Bプレフィックスを付けた数値リテラルの記述を可能に
関数の戻り値型auto 戻り値の型を後置する関羽鵜テンプレート/関数定義とラムダ式の戻り値型にautoに
decltype(auto) decltypeの規則による変数の型推論
ラムダ式の初期化キャプチャ キャプチャに代入構文を導入し、一つの変数に複数のキャプチャ方法を指定可能にする
ジェネリックラムダ ラムダ式のパラメータを auto にすることで、ジェネリックな関数呼び出しに
変数テンプレート 変数定義時のテンプレート指定を可能に
constexpr関数内での条件分岐とループの文を許可 constexpr if文
structのNSDMIの対応
structのネストする初期化における波カッコ省略を許可 一様初期化と初期化子リストを組み合わせた際、二重に波カッコが不要に
[[deprecated]]属性 属性構文」参照
数値リテラルの桁区切り文字 シングルクォーテーションで数値リテラルを桁区切りする
サイズ付きデアロケーション グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装
heap allocation elision 動的メモリ確保の省略(heap allocation elision)の許可

stdの変更、追加

機能 説明
std::make_unique<>() メモリアロケーション」参照
std::exchange() 二つの値を入れ替える。「Copy-And-Swap」参照
std::integer_sequence コンパイル時整数シーケンス
std::get()のオーバーロードを追加 タプルを型の集合と見なし、型を指定して対応する値を取得する
<type_traits> xxx_t、xxx_vなどのエイリアステンプレート、定数テンプレート
std::string型リテラル
std::chronoのリテラル
std::complexリテラル

C++14/stdの追加使用例

std::integer_sequence
    //  example/cpp_improve/cpp14_ut.cpp 11

    template <typename Tuple, std::size_t... I>
    std::string tuple2string(const Tuple& t, std::index_sequence<I...>)
    {
        std::ostringstream os;

        ((os << std::get<I>(t) << " "), ...);  // Tupleの各要素を出力

        return os.str();
    }

    template <typename... Args>
    std::string process_tuple(const std::tuple<Args...>& t)
    {
        return tuple2string(t, std::index_sequence_for<Args...>{});
    }
    //  example/cpp_improve/cpp14_ut.cpp 32

    std::tuple<int, double, const char*> t(1, 2.5, "test");

    auto ret = process_tuple(t);  // タプルの要素を出力 (1, 2.5, test)
    ASSERT_EQ("1 2.5 test ", ret);
    ASSERT_EQ(1, std::get<0>(t));
    ASSERT_EQ(2.5, std::get<1>(t));
    ASSERT_STREQ("test", std::get<2>(t));
std::get()のオーバーロード
    //  example/cpp_improve/cpp14_ut.cpp 46

    std::tuple<int, float, std::string> my_tuple(1, 3.14f, "hello");

    // 異なる型のオーバーロードされた std::get を使用
    ASSERT_EQ(std::get<int>(my_tuple), 1);
    ASSERT_FLOAT_EQ(std::get<float>(my_tuple), 3.14f);
    ASSERT_EQ(std::get<std::string>(my_tuple), "hello");

C++17の主な新規機能

新機能、規制緩和

機能 説明
16進浮動小数点数リテラル 16進数表記で浮動小数点数リテラルを記述できるようにする
インライン変数 inline 指定をすることで翻訳単位を跨いでひとつのオブジェクトになる変数を定義する
構造化束縛 戻り値型」参照
単一要素の波カッコ初期化を非配列とする リストによる直接初期化の型推論の規則が変更された
[[maybe_unused]]属性 属性構文」参照
[[nodiscard]]属性 属性構文」、グローバルnew/deleteのオーバーロードの実装」参照
RVO(Return Value Optimization) 右辺値を変数の初期化のために使用する場合、コピーもムーブも省略することを保証
演算子のオペランドの評価順位 C++14まで未規定であった部分式の評価順序を規定
enum class変数の初期値のルール変更 スコープドenum」、 「underlying type」参照
newのアライメント指定
初期化付きif/switch文 if文とswitch文の条件式と初期化を分離する構文
[[fallthrough]]属性 属性構文」参照
constexpr if文 if constexpr(cond) とすることで、その if 文はコンパイル時に処理
範囲for文のイテレータ型の不一致の許可 std::istream_iteratorとstd::istreamに利用
ラムダ式での*thisのコピーキャプチャ キャプチャリストに*this を指定することで、*thisをコピーキャプチャする
constexprラムダ ラムダ式の関数オブジェクトのconstexpr指定を可能に
std::optional 関数の戻り値の無効表現を行うためのクラステンプレート
std::variant 型安全なunion機能を提供するクラステンプレート

単一要素の波カッコ初期化を非配列とする

    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 16

    #if 1  // C++17からリストによる直接初期化の型推論の規則が変更された
        auto a0 = {0};
        auto a1 = {0, 1};
        auto a2{0};

        static_assert(std::is_same_v<decltype(a0), std::initializer_list<int>>);
        static_assert(std::is_same_v<decltype(a1), std::initializer_list<int>>);
        static_assert(std::is_same_v<decltype(a2), int>);
    #else
        auto ill_formd0 = {0, 1.0};  // ill-formed: int と double からは推論できない
        auto ill_formd0{0, 1};       // C++17からill-formd
    #endif

newのアライメント指定

    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 34

    struct alignas(64) AlignedStruct {  // C++17 newのアライメント指定
        int x;
    };
    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 44

        AlignedStruct* ptr = new AlignedStruct;

        ASSERT_EQ(reinterpret_cast<std::uintptr_t>(ptr) % 64, 0);  // アライメントの確認

        delete ptr;

範囲for文のイテレータ型の不一致の許可

    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 57

    namespace org {
    struct custom_iterator {  // カスタムイテレータの定義
        const int* ptr;

        custom_iterator(const int* p) : ptr(p) {}
        bool             operator!=(const custom_iterator& other) const { return ptr != other.ptr; }
        const int&       operator*() const { return *ptr; }
        custom_iterator& operator++()
        {
            ++ptr;
            return *this;
        }
    };

    const int* begin(const std::vector<int>& vec)
    {
        return vec.data();  // 通常のポインタを返す
    }

    // 配列の終端はカスタムイテレータを返すend関数
    custom_iterator end(const std::vector<int>& vec)
    {
        return custom_iterator(vec.data() + vec.size());  // カスタムイテレータを返す
    }

    struct vec_int : std::vector<int> {};
    }  // namespace org
    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 91

    org::vec_int       nums{{1, 2, 3, 4, 5}};
    std::ostringstream os;

    // std::begin<T>, std::end<T>の戻り型が異なることの証明
    static_assert(!std::is_same_v<decltype(org::begin(nums)), decltype(org::end(nums))>);

    for (int num : nums) {  // 範囲for文でポインタとカスタムイテレータの不一致を許容
        os << num << " ";
    }

    ASSERT_EQ("1 2 3 4 5 ", os.str());

ラムダ式での*thisのコピーキャプチャ

    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 107

    struct MyStruct {
        int value = 42;

        auto getValue()
        {
            return [*this]() { return value; };  // *thisをコピーキャプチャ
        }
    };
    //  example/cpp_improve/cpp17_ut.cpp 121

        MyStruct obj;
        auto     lambda = obj.getValue();
        obj.value       = 0;  // コピーキャプチャされたため、影響を受けない

        ASSERT_EQ(lambda(), 42);  // コピーキャプチャの影響で元の値が保持される

C++20の主な新規機能

構文の新機能、規制緩和

機能 説明
三方比較演算子 <=>/==による比較演算子の自動定義
ビットフィールドのメンバ変数初期化 ビットフィールドメンバ変数のデフォルト値を設定する構文を追加
explicit(COND) explicit(true/false) のように explicit にboolパラメータを指定できるようにする
const修飾されたメンバポインタの制限を修正 .*演算子でのlvalueのconstメンバ関数呼び出しを許可
デフォルトコピーコンストラクタの規約のバグ修正 デフォルトのコピーコンストラクタと引数が非constなコンストラクタが衝突する問題を修正
特殊化のアクセスチェック
[[no_unique_address]]属性追加 空の型のオブジェクトをほかのオブジェクトと共有する最適化を許可。「属性構文」参照
friend指定された関数内から構造化束縛 構造化束縛でのメンバ変数へアクセスルールの変更
構造化束縛カスタマイゼーションルール変更 構造化束縛がカスタマイゼーションポイントを見つけるルールを緩和
関数の戻り値型の抽象型のチェック 関数の宣言段階では、パラメータや戻り値型が抽象型かどうかをチェックしない
可変長データを扱うクラスの効率的なdelete クラスのdelete演算子が呼び出される前にデストラクタが呼ばれないようにするオプションを追加
条件付きで特殊メンバ関数をトリビアルに定義 制約によってトリビアルな特殊メンバ関数と非トリビアルな特殊メンバ関数をオーバーロード可に
未初期化領域への暗黙的なオブジェクト構築 未初期化領域の利用時に自動的にトリビアルな型のオブジェクトを構築する

構文の新機能、規制緩和の例

friend指定された関数内から構造化束縛

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 9

    class A {
    public:
        A(int a0, int b0) : a0_{a0}, b0_{b0} {}

    private:
        int a0_;
        int b0_;

        friend std::pair<int, int> f(A const& a)
        {
            auto [a_a, a_b] = a;  // fがfriendであるため、構造化束縛可能

            return {a_a, a_b};
        }
    };
    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 30

    auto a = A{1, 2};

    auto [a0, a1] = f(a);  // fはA::a0_、a1_にアクセスできる

    ASSERT_EQ(a0, 1);
    ASSERT_EQ(a1, 2);

構造化束縛カスタマイゼーションルール変更

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 42

    struct Point2D {  // C++17でも動作する例
        int x, y;
    };

    class Point3D {  // C++20で改善された例
    public:
        Point3D(int x, int y, int z) : x_{x}, y_{y}, z_{z} {}

        template <std::size_t I>  // 構造化束縛カスタマイゼーションポイント
        auto get() const
        {
            if constexpr (I == 0)
                return x_;
            else if constexpr (I == 1)
                return y_;
            else if constexpr (I == 2)
                return z_;
        }

    private:
        int x_, y_, z_;
    };

    namespace std {  // 例外的にstdへの追加が認められている
    template <>      // 構造化束縛のためのカスタマイゼーションポイント
    struct tuple_size<Point3D> : std::integral_constant<std::size_t, 3> {
    };

    template <std::size_t I>
    struct tuple_element<I, Point3D> {
        using type = int;
    };
    }  // namespace std
    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 82

    // C++17までのスタイル
    Point2D p2d{10, 20};

    auto [x2d, y2d] = p2d;
    ASSERT_EQ(x2d, 10);
    ASSERT_EQ(y2d, 20);

    // C++20から
    Point3D p3d{1, 2, 3};

    auto [p3d_x, p3d_y, p3d_z] = p3d;
    ASSERT_EQ(p3d_x, 1);
    ASSERT_EQ(p3d_y, 2);
    ASSERT_EQ(p3d_z, 3);

template関連

機能 説明
コンセプト キーワードconcept、requiresの導入。テンプレートパラメータの制約。
autoパラメータによる関数テンプレートの簡易定義 ジェネリックラムダと同様に関数パラメータをの型をautoにできる。
型の文脈でtypenameの省略を許可 型しか現れない文脈では、typenameの省略を可能に
非型テンプレートパラメータとしてクラス型を許可
ADLのバグ修正 関数テンプレートに明示的に型指定した場合にADLで見つからない問題を修正
structテンプレートのテンプレート引数推論
テンプレート引数推論の改善 エイリアステンプレート経由でのクラステンプレートのテンプレート引数推論

template関連の新機能、規制緩和の例

型の文脈でtypenameの省略を許可

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 102

    template <typename T>

    struct Ommit {
        using value_type = T::value_type;  // C++20では typename を省略できる

        value_type get_first_element(const T& container) const { return container[0]; }
    };

非型テンプレートパラメータとしてクラス型を許可

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 123

    struct X1 {
        int   i;
        float f;

        friend bool operator==(const X1&, const X1&) = default;
    };

    struct X2 {
        int   i;
        float f;

        constexpr X2(int i, float f) : i{i}, f{f} {}

        friend bool operator==(const X2&, const X2&) = default;
    };

    template <int N>
    struct C1 {
        static constexpr int value = N;
    };

    template <float N>
    struct C2 {
        static constexpr float value = N;  // N を保持
    };

    template <X1 x1, X2 x2>
    struct C3 {
        static constexpr X1 value1 = x1;  // X1 の値を保持
        static constexpr X2 value2 = x2;  // X2 の値を保持
    };

    template <auto V>
    struct C4 {
        static constexpr decltype(V) value = V;  // V の型を推論し、その値を保持
    };
    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 162

    static_assert(C1<42>::value == 42);  // テンプレートパラメータ N = 42 の動作を確認

    static_assert(C2<3.14f>::value == 3.14f);  // テンプレートパラメータ N = 3.14f の動作を確認

    constexpr X1 x1{1, 2.5f};  // X1 のオブジェクトを constexpr で作成
    constexpr X2 x2{2, 3.5f};  // X2 のオブジェクトを constexpr で作成

    static_assert(C3<x1, x2>::value1 == x1);  // X1 の比較
    static_assert(C3<x1, x2>::value2 == x2);  // X2 の比較

    static_assert(C4<100>::value == 100);  // 整数の動作確認
    static_assert(C4<x1>::value == x1);    // X1 オブジェクトの動作確認

関数テンプレートに明示的に型指定した場合にADLで見つからない問題を修正

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 179
    namespace adl_NS {
    struct X {};

    // X に対する関数テンプレート
    template <typename T>
    void func(T)
    {
        std::cout << "Called func(T) from my_namespace" << std::endl;
    }
    }  // namespace adl_NS
    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 194

    adl_NS::X obj;

    // 型を明示的に指定して呼び出す(C++20以前では ADL が効かない)
    func<adl_NS::X>(obj);  // エラー: ADL が働かず、関数が見つからない

    // 型を明示的に指定せずに呼び出す(ADLが働く)
    func(obj);  // OK: adl_NS から func が見つかる

エイリアステンプレート経由でのクラステンプレートのテンプレート引数推論

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 207

    template <typename T>
    class X {
    public:
        X(T value) : value_{value} {}
        T getValue() const { return value_; }

    private:
        T value_;
    };
    template <typename T>
    using XAlias = X<T>;
    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 224

    XAlias obj1{42};  // 推論される型はint
    static_assert(std::is_same_v<decltype(obj1), X<int>>);

    XAlias obj2{3.14};  // 推論される型はdouble
    static_assert(std::is_same_v<decltype(obj2), X<double>>);

    EXPECT_EQ(obj1.getValue(), 42);
    EXPECT_DOUBLE_EQ(obj2.getValue(), 3.14);

structテンプレートのテンプレート引数推論

    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 236

    template <class T>
    struct Point {
        T x;
        T y;
    };
    //  example/cpp_improve/cpp20_ut.cpp 247

    Point p{3.0, 4.0};  // C++17:NG C++20:OK

    ASSERT_DOUBLE_EQ(p.x, 3.0);
    ASSERT_DOUBLE_EQ(p.y, 4.0);

C++23の主な新規機能

not yet.

用語解説

この章では、このドキュメントで使用する用語の解説をする。


この章の構成

   組み込み型とインスタンス
    基本型
    組み込み型
    算術型
    汎整数型
    整数型
    算術変換
    汎整数型昇格
    汎整数型拡張
    浮動小数点型昇格
    デフォルト引数昇格
    縮小型変換
    浮動小数点型
     浮動小数点型のダイナミックレンジ
     浮動小数点の誤差
     イプシロン
     浮動小数点の演算エラー

   enum
    enum class
    スコープドenum
    underlying type
    std::byte
    using enum

   型とインスタンス
    特殊メンバ関数
     ゼロの原則(Rule of Zero)
     五の原則(Rule of Five)

    トリビアル型
    トリビアルに破壊可能な型
    標準レイアウト型
    集成体
    POD
    不完全型
    完全型
    ポリモーフィックなクラス
    オーバーライドとオーバーロードの違い
    RTTI
     dynamic_cast
     typeid
     std::type_info

    Run-time Type Information
    インターフェースクラス
    constインスタンス

   constexpr
    constexpr定数
    constexpr関数
    コア定数式
    リテラル型
    constexprインスタンス
    consteval
    constexprラムダ

   オブジェクトと生成
    リスト初期化
    一様初期化
    初期化子リストコンストラクタ
    継承コンストラクタ
    委譲コンストラクタ
    非静的なメンバ変数の初期化
     NSDMI
     初期化子リストでの初期化
     コンストラクタ内での非静的なメンバ変数の初期値の代入

    オブジェクトの所有権
     オブジェクトの排他所有
     オブジェクトの共有所有
     オブジェクトの循環所有
     std::weak_ptr

    オブジェクトのライフタイム
    オブジェクトのコピー
     シャローコピー
     ディープコピー
     スライシング

   リテラル
    生文字列リテラル
    2進数リテラル
    数値リテラル
    ワイド文字列
    16進浮動小数点数リテラル
    ユーザー定義リテラル
     ユーザ定義リテラル演算子
     std::string型リテラル
     std::chronoのリテラル
     std::complexリテラル

    ==演算子
     メンバ==演算子
     非メンバ==演算子

    比較演算子
     std::rel_ops
     std::tuppleを使用した比較演算子の実装方法
     <=>演算子
     三方比較演算子
     spaceship operator

   構文
    属性構文
    関数tryブロック
    範囲for文
    構造化束縛
    初期化付きif/switch文
     初期化付きfor文(従来のfor文)
     初期化付きwhile文(従来のwhile文)
     初期化付きif文
     初期化付きswitch文

   言語機能
    コルーチン
     co_await
     co_return
     co_yield

    モジュール
    ラムダ式
     クロージャ
     クロージャ型
     一時的ラムダ
     transient lambda

    指示付き初期化

   プログラミング概念と標準ライブラリ
    スマートポインタ
    コンテナ
     シーケンスコンテナ(Sequence Containers)
     連想コンテナ(Associative Containers)
     無順序連想コンテナ(Unordered Associative Containers)
     コンテナアダプタ(Container Adapters)
     特殊なコンテナ

    std::optional
     戻り値の無効表現
     オブジェクトの遅延初期化

    std::variant

   name lookupと名前空間
    ルックアップ
    name lookup
    two phase name lookup
    実引数依存探索
    ADL
    関連名前空間
    修飾付き関数呼び出し
    hidden-friend関数
    name-hiding
    ダイヤモンド継承
    仮想継承
    仮想基底
    ドミナンス
     ダイヤモンド継承を含まない場合
     ダイヤモンド継承かつそれが仮想継承でない場合
     ダイヤモンド継承かつそれが仮想継承である場合

    using宣言
    usingディレクティブ

   template強化機能
    SFINAE
    コンセプト
    畳み込み式
    ジェネリックラムダ
    クラステンプレートのテンプレート引数の型推論
    テンプレートの型推論ガイド
    CTAD(Class Template Argument Deduction)
    変数テンプレート
    エイリアステンプレート
    constexpr if文
    autoパラメータによる関数テンプレートの簡易定義

   型推論
    AAAスタイル
    decltype
    decltype(auto)
    CTAD(Class Template Argument Deduction)
    戻り値型を後置する関数宣言
    関数の戻り値型auto
    後置戻り値型auto

   explicit
    暗黙の型変換
    暗黙の型変換抑止
    explicit type operator()
    explicit(COND)

   expressionと値カテゴリ
    expression
    lvalue
    rvalue
     xvalue
     prvalue

    rvalue修飾
    lvalue修飾
    リファレンス修飾

   リファレンス
    ユニバーサルリファレンス
    forwardingリファレンス
    perfect forwarding
    リファレンスcollapsing
    danglingリファレンス
    danglingポインタ

   エクセプション安全性の保証
    no-fail保証
    強い安全性の保証
    基本的な安全性の保証
    noexcept
    exception-unfriendly

   シンタックス、セマンティクス
    等価性のセマンティクス
    copyセマンティクス
    moveセマンティクス
    MoveAssignable要件
    CopyAssignable要件

   C++その他
    型特性キーワード
     alignof
     alignas
     addressof

    演算子のオペランドの評価順位
    実引数/仮引数
    単純代入
    ill-formed
    well-formed
    未定義動作
    未規定動作
    未定義動作と未規定動作
    被修飾型
    one-definition rule
    ODR
    RVO(Return Value Optimization)
    SSO(Small String Optimization)
    heap allocation elision
    Most Vexing Parse
    トライグラフ

   C++コンパイラ
    g++
    clang++

   ソフトウェア一般
    フリースタンディング環境
    サイクロマティック複雑度
    凝集度
     凝集度の欠如
     LCOMの評価基準

    Spurious Wakeup
    副作用
    is-a
    has-a
    is-implemented-in-terms-of
     public継承によるis-implemented-in-terms-of
     private継承によるis-implemented-in-terms-of
     コンポジションによる(has-a)is-implemented-in-terms-of

   非ソフトウェア用語
    割れ窓理論
    車輪の再発明

このドキュメントの構成に戻る。


組み込み型とインスタンス

基本型

基本型(fundamental types)は、C++の標準で定義されている型で、 特別なキーワードを使用して直接宣言できる型の総称である。 組み込み型とも呼ばれることもある。

基本型は以下のに示した型によって構成される。

注:
リファレンスは基本型に含まれない。

組み込み型

組み込み型(built-in types)は基本型(fundamental types)の別称。

算術型

算術型とは下記の型の総称である。

算術型のサイズは下記のように規定されている。

汎整数型

汎整数型とは下記の型の総称である。

整数型

整数型とは下記の型の総称である。

算術変換

C++における算術変換とは、算術演算の1つのオペランドが他のオペランドと同じ型でない場合、 1つのオペランドを他のオペランドと同じ型に変換するプロセスのことを指す。

算術変換は、汎整数型昇格と通常算術変換に分けられる。

    //  example/term_explanation/integral_promotion_ut.cpp 11

    bool           bval{};
    char           cval{};
    short          sval{};
    unsigned short usval{};
    int            ival{};
    unsigned int   uival{};
    long           lval{};
    unsigned long  ulval{};
    float          fval{};
    double         dval{};

    auto ret_0 = 3.14159 + 'a';  // 'a'は汎整数拡張でintになった後、さらに通常算術変換でdoubleに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_0), double>::value, "");

    auto ret_1 = dval + ival;  // ivalは通常算術変換でdoubleに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_1), double>::value, "");

    auto ret_2 = dval + fval;  // fvalは通常算術変換でdoubleに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_2), double>::value, "");

    auto ret_3 = ival = dval;  // dvalは通常算術変換でintに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_3), int>::value, "");

    bval = dval;  // dvalは通常算術変換でboolに
    ASSERT_FALSE(bval);

    auto ret_4 = cval + fval;  // cvalは汎整数拡張でintになった後、さらに通常算術変換でfloatに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_4), float>::value, "");

    auto ret_5 = sval + cval;  // svalとcvalは汎整数拡張でintに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_5), int>::value, "");

    auto ret_6 = cval + lval;  // cvalはは汎整数拡張でintになった後、通常算術変換でlongに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_6), long>::value, "");

    auto ret_7 = ival + ulval;  // ivalは通常算術変換でunsigned longに
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_7), unsigned long>::value, "");

    auto ret_8 = usval + ival;  // usvalは汎整数拡張でintに
                                // ただし、この変換はunsigned shortとintのサイズに依存する
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_8), int>::value, "");

    auto ret_9 = uival + lval;  // uivalは通常算術変換でlongに
                                // ただし、この変換はunsigned intとlongのサイズに依存する
    static_assert(std::is_same<decltype(ret_9), long>::value, "");

一様初期化を使用することで、 変数定義時の算術変換による意図しない値の変換(縮小型変換)を防ぐことができる。

    //  example/term_explanation/integral_promotion_ut.cpp 62

    int i{-1};
    // int8_t i8 {i};  縮小型変換によりコンパイル不可
    int8_t i8 = i;  // intからint8_tへの型変換
    // これには問題ないが

    ASSERT_EQ(-1, i8);

    // uint8_t ui8 {i};  縮小型変換によりコンパイル不可
    uint8_t ui8 = i;  // intからuint8_tへの型変換
    // おそらく意図通りではない

    ASSERT_EQ(255, ui8);

以下に示すように、算術変換の結果は直感に反することがあるため、注意が必要である。

    //  example/term_explanation/integral_promotion_ut.cpp 81

    int          i{-1};
    unsigned int ui{1};

    // ASSERT_TRUE(i < ui);
    ASSERT_TRUE(i > ui);  // 算術変換の影響で、-1 < 1が成立しない

    signed short   s{-1};
    unsigned short us{1};

    ASSERT_TRUE(s < us);  // 汎整数拡張により、-1 < 1が成立

汎整数型昇格

bool、char、signed char、unsigned char、short、unsigned short型の変数が、 算術のオペランドとして使用される場合、

この変換を汎整数型昇格(integral promotion)と呼ぶ。

従って、sizof(short) < sizeof(int)である処理系では、 bool、char、signed char、unsigned char、short、unsigned short型の変数は、 下記のようにintに変換される。

    //  example/term_explanation/integral_promotion_ut.cpp 100

    bool bval;
    static_assert(std::is_same<int, decltype(bval + bval)>::value, "");

    char cval;
    static_assert(std::is_same<int, decltype(cval + cval)>::value, "");

    unsigned char ucval = 128;
    static_assert(std::is_same<int, decltype(ucval + ucval)>::value, "");
    ASSERT_EQ(256, ucval + ucval);  // 汎整数拡張により256になる

    static_assert(std::is_same<int, decltype(cval + ucval)>::value, "");

    short sval;
    static_assert(std::is_same<int, decltype(sval + sval)>::value, "");

    unsigned short usval;
    static_assert(std::is_same<int, decltype(usval + usval)>::value, "");

    static_assert(std::is_same<int, decltype(sval + usval)>::value, "");

汎整数型拡張

汎整数型拡張とは汎整数型昇格と同じ概念を指す。

浮動小数点型昇格

浮動小数点型昇格とは、float型とdouble型の演算で、 float型オブジェクトがdoulbe型に変換されることを指す。

    //  example/term_explanation/integral_promotion_ut.cpp 126

    double d = 0.05;  // 0.05は循環少数
    float  f = 0.05f;

    bool b1 = d == f;  // fはdoubleに昇格
    ASSERT_FALSE(b1);  // 0.05は循環少数であるため、0.5と0.5fは異なる。

    bool b2 = std::abs(d - f) <= std::numeric_limits<decltype(d - f)>::epsilon();
    ASSERT_FALSE(b2);  // dとfの差はdoubleのイプシロンには収まらない。

デフォルト引数昇格

デフォルト引数昇格(Default Argument Promotions)とは、可変長引数(...)や、 プロトタイプを持たない関数に算術型引数を渡す際に適用される昇格ルールの総称である。

デフォルト引数昇格には以下が含まれる。

縮小型変換

縮小型変換(Narrowing Conversion) とは、あるデータ型から別のデータ型に変換する際に、 変換先の型が元の型の表現範囲を完全にカバーしていない場合に発生する変換を指す。 主に整数型浮動小数点型などの値を小さな範囲の型に変換する際に起こる。

    //  example/term_explanation/etc_ut.cpp 43

    int32_t large  = 300;
    int8_t  small  = large;  // 縮小型変換
    bool    b      = large;
    double  d      = large;  // 単単なる型変換(縮小ではない)
    int32_t large2 = d;      // 縮小型変換

    // large = int32_t{d};   縮小型変換回避のためリスト初期化の使用。コンパイルエラー

リスト初期化を使うことで、このような変換によるバグの発生を防ぐことができる。

浮動小数点型

浮動小数点型は以下の型の総称である。

浮動小数点の仕様は、IEEE 754標準に準拠している。 この標準は、浮動小数点演算の表現方法、精度、丸め方法、および例外処理を規定しており、 広く使用されている。

浮動小数点型のダイナミックレンジ

正の最小値 正の最大値
float 1.175494351 e-38 3.402823466 e+38
double 2.2250738585072014 e-308 1.7976931348623158 e+308
long double 3.36210314311209350626 e-4932 1.18973149535723176502 e+4932
int32_t -2,147,483,648 2,147,483,647
int64_t -9,223,372,036,854,775,808 9,223,372,036,854,775,807

ここでlong doubleの最小値と最大値は、システムやコンパイラに依存して異なる場合がある点に留意する。

浮動小数点の誤差

浮動小数点変数の10進数の表現が2進数では循環小数となる場合があり、 正確に表現できないことがある。これにより、計算結果がわずかに異なる値を返す場合がある。 浮動小数点誤差は、特に計算の繰り返しや桁数の多い計算で顕著になる。

以下のコードにより誤差が容易に発生することを示す。

    //  example/term_explanation/float_ut.cpp 12

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    //  ASSERT_EQ(0.05F, a + b);  // NG  a + b == 0.05Fは一般には成立しない。
    ASSERT_NE(0.05F, a + b);

イプシロン

イプシロン(epsilon)とは、ある浮動小数点数に対して「1」を加えた時に、 異なる値として識別できる最小の差分を指す。 つまり、イプシロンは浮動小数点数の精度を示す尺度である。

任意の浮動小数点変数a, bがあり、|a - b| <= epsilonであった場合、 浮動小数点の仕組みではa、bの差が無いものと考えて、aとbが同値であると考えることが一般的である。

イプシロンを使用した浮動小数点変数の同値判定のコード例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/float_ut.cpp 24

    // 下記の0.01は2進数では循環小数となるため、実数の0.01とは異なる。
    constexpr auto a = 0.01F;  // 0.0000001010001111...
    constexpr auto b = 0.04F;  // 0.0000101000111101...

    bool is_equal = 0.05F == (a + b);
    ASSERT_FALSE(is_equal);  // is_equalはtrueにはならない

    bool is_nearly_equal = std::abs(0.05F - (a + b)) <= std::numeric_limits<float>::epsilon();
    ASSERT_TRUE(is_nearly_equal);  // 浮動小数点の同値はこのように判定する

浮動小数点の演算エラー

浮動小数点の演算は以下のようなエラーを生じることがある。

エラーの種類 説明
丸め誤差 有限桁数による四捨五入の誤差が発生し、正確な値とわずかに異なる場合がある。 0.1 + 0.2 != 0.3
桁落ち 非常に小さい数と大きい数の加算時に、小さい数が無視され、精度が低下する。 1e20 + 1 - 1e20 == 0
累積誤差 繰り返し演算で小さな誤差が積み重なり、最終的に大きなズレが生じることがある。 ループ内での浮動小数点の加算
ゼロ除算 0での除算により計算が定義されず、例外が発生または±無限大が返される。 1.0 / 0.0
オーバーフロー 型が表現可能な最大値を超えると無限大(inf)として扱われる。 std::pow(10.0, 308)
アンダーフロー 型の最小値より小さい数値は0または非常に小さな値として表現され、精度が失われる。 std::pow(10.0, -308)
NaN 実数では表現できない。 std::sqrt(-1)

浮動小数点の演算エラーの検出コード例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/float_ut.cpp 43

    std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);  // エラーをクリア

    div(1.0F, 0.0F);  // 関数の中で0除算するが、終了シグナルは発生しない
    ASSERT_TRUE(std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT) & FE_DIVBYZERO);  // 0除算

    std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);  // エラーをクリア

    div(std::numeric_limits<double>::max(), 1);

    auto const excepts = std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT);

    ASSERT_FALSE(excepts & FE_DIVBYZERO);  // 0除算
    ASSERT_TRUE(excepts & FE_INEXACT);     // 演算が不正確
    ASSERT_FALSE(excepts & FE_INVALID);    // 不正な操作
    ASSERT_TRUE(excepts & FE_OVERFLOW);    // 演算がオーバーフローを起こした
    ASSERT_FALSE(excepts & FE_UNDERFLOW);  // 演算がアンダーフローを起こした

    std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);  // エラーをクリア

    auto const a = 1.0F / global_zero;  // global_zero == 0
    ASSERT_TRUE(std::isinf(a));

    auto const b = std::sqrt(-1);
    auto const c = std::sqrt(-1);
    ASSERT_TRUE(std::isnan(b));
    ASSERT_FALSE(b == c);  // NaN == NaNは常にfalse

なお、上記のコードで使用したstd::fetestexceptは一般にスレッドセーフである。 std::fetestexceptがスレッドセーフでない処理系では、浮動小数演算エラーの検出は、 実質的には不可能になってしまうため、 浮動小数演算を複数コンテキストで行うソフトウェアの開発する場合、 処理系の選択に注意が必要である。

enum

C++03までのenumは定数を分かりやすい名前で定義するための記法である。 このドキュメントでは、スコープドenumに対して、C++03までのenumを非スコープドenum、 通常のenum、あるいは単にenumと呼ぶことがある。 C++03までのenumには、以下のような問題があった。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 14

    enum DayOfWeek { Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday };

    ASSERT_TRUE(1 == Monday);  // intへの暗黙の変換

    enum Color { Red, Green, Blue };

    ASSERT_TRUE(Green == Monday);  // 別のenumが比較できてしまう

enum class

enum classは通常のenumの問題を解決するためにC++11から導入された。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 29

    enum class DayOfWeek { Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday };

    // ASSERT_TRUE(1 == Monday);  // intへの暗黙の変換できないため、コンパイルエラー
    ASSERT_TRUE(1 == static_cast<int>(DayOfWeek::Monday));

    enum class Color { Red, Green, Blue };

    // ASSERT_TRUE(Green == Monday);  // 別のenumが比較できないため、コンパイルエラー
    ASSERT_TRUE(static_cast<DayOfWeek>(Color::Green) == DayOfWeek::Monday);
    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 41

    // DayOfWeek d0 {0}; intからの暗黙の型変換は許可されないため、コンパイルエラー
    DayOfWeek d0{static_cast<DayOfWeek>(0)};
    DayOfWeek d1{};  // デフォルト初期化
    ASSERT_EQ(d1, DayOfWeek::Sunday);

    DayOfWeek d2{DayOfWeek::Tuesday};  // 値あり初期化

スコープドenum

enum classはスコープドenum(scoped enum)と呼ばれることがある。

underlying type

underlying typeとは、enumやenum classの汎整数型を指定できるようにするために、 C++11で導入されたシンタックスである。enumのサイズをユーザが定義できるため、 特定のバイナリプロトコルとの互換性が必要な場合や、特定のハードウェアと連携する際に特に有効である。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 54

    enum NormalEnum {  // underlying typeの指定しない従来のenum
    };

    enum NormalEnumUnderlyingType : int8_t {  // enum underlying typeがint8_tに指定された従来のenum
    };

    // enum class
    enum class EnumClass {  // underlying typeの指定しないenum class
    };

    enum class EnumClassUnderlyingType : int64_t {  // enum underlying typeがint64_tに指定されたenum
                                                    // class
    };

    static_assert(4 ==  sizeof(NormalEnum));  // 列挙子の値を表現するのに十分なサイズの整数型で処理系依存
    static_assert(4 ==  sizeof(EnumClass));   // 列挙子の値を表現するのに十分なサイズの整数型で処理系依存
    static_assert(sizeof(int8_t) == sizeof(NormalEnumUnderlyingType));
    static_assert(sizeof(int64_t) == sizeof(EnumClassUnderlyingType));

C++17までは、型安全の観点から、初期化においては、以下のコードコメントのような仕様であったが、 C++17から導入されたstd::byteの利便性のため、 underlying typeを指定したenumやenum class変数のunderlying typeインスタンスによる初期化が認められるようになった。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 80

    enum class Color : int { Red, Green, Blue };

    // Color red{0}; C++14まではコンパイルエラー

    Color red{0};  // underlying typeの効果でC++17からコンパイルできる。

    long a{1};
    // Color green{a};  // 縮小型変換が発生するため、コンパイルエラー

上記コードにもあるが、underlying typeインスタンスによる初期化を行う場合は、 意図しない縮小型変換によるバグの発生を防ぐためにも、 一様初期化を使用するべきだろう。

一部の例外を除くとunderlying typeを指定しないenumやenum classはコンパイル時にサイズが確定できないため、 前方宣言できないが、underlying typeを指定したenum、enum classは前方宣言することができる。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 97

    // in calender.h
    enum class DayOfWeek : int8_t;  // DayOfWeekの前方宣言

    bool calender(DayOfWeek);  // 前方宣言の効果でこのヘッダでの#include "day_of_week.h"が不要

    // in day_of_week.h
    enum class DayOfWeek : int8_t { Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday };

std::byte

C++17で導入されたstd::byte型は、バイト単位のデータ操作に使用され、 整数型としての意味を持たないため、型安全性を確保する。 uint8_t型と似ているが、uint8_t型の演算による汎整数型昇格を発生させないため、 可読性、保守性の向上が見込める。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 113

    uint8_t u8_0     = 0x80;
    auto    result_0 = u8_0 << 1;  // 汎整数拡張のためresult_0の型はintになる

    static_assert(std::is_same_v<decltype(result_0), int>);
    ASSERT_EQ(0x100, result_0);  // これがわかりずらいバグにつながることがある

    auto u8_1     = std::byte{0x80};
    auto result_1 = u8_1 << 1;  // 汎整数拡張は発生せず、result_1の型はstd::byteになる

    static_assert(std::is_same_v<decltype(result_1), std::byte>);

    // 整数型を取り出すためには、暗黙の型変換ではなく、
    // 明示的なto_integerの呼び出しが必要になることもコードの安全性につながる
    ASSERT_EQ(0x00, std::to_integer<int>(result_1));  // 0x100はstd::byteでは0

using enum

名前空間のように、

    using enum EnumType;

もしくは

    using EnumType::enumerator

とすることで、スコープによる修飾を省略するための記法である。

    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 158

    enum class Color { Red, Green, Yellow };

    constexpr std::string_view to_str(Color color)
    {
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        using enum Color;       // 名前修飾の省略可能にする

        switch (color) {
        case Red:
            return "Red";
        case Green:
            return "Green";
        case Yellow:
            return "Yellow";
        }

    #else  // c++17
        switch (color) {
        case Color::Red:
            return "Red";
        case Color::Green:
            return "Green";
        case Color::Yellow:
            return "Yellow";
        }
    #endif
        assert(false);
        return "";
    }
    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 194

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        using Color::Red;  // Redに関しては名前修飾なしで使用する

        ASSERT_EQ("Red", to_str(Red));
        ASSERT_EQ("Yellow", to_str(Color::Yellow));

    #else  // c++17
        ASSERT_EQ("Red", to_str(Color::Red));
        ASSERT_EQ("Yellow", to_str(Color::Yellow));
    #endif
    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 213

    class Signal {
    public:
        enum class Color { Red, Green, Yellow };
        using enum Color;

        void Set(Color);

    private:
        // ...
    };
    //  example/term_explanation/enum_ut.cpp 229

    Signal s{};

    s.Set(Signal::Color::Red);  // 名前修飾が長すぎる感じがする
    s.Set(Signal::Red);         // using enum colorがあるために、簡潔に書ける

    using Signal::Red;  // Redに関しては名前修飾なしで使用する
                        // この記述によりこの名前空間でのRed識別子が使えなくなる
    s.Set(Red);

この記法は、簡潔に記述できるものの、一方では過度な使用は、 C++03までのenumが持っていた問題を再発生させてしまうため、 ブロックスコープ以外での使用に関しては控え目に使用するべきだろう。

型とインスタンス

特殊メンバ関数

特殊メンバ関数とは下記の関数を指す。

以下のメンバ関数は特殊関数ではないが、C++20から特殊関数と同様に=defaultとすることで自動生成される。

ユーザがこれらを一切定義しない場合、または一部のみを定義する場合、 コンパイラは、下記のテーブル等で示すルールに従い、特殊関数メンバの宣言、定義の状態をを定める。

左1列目がユーザによる各関数の宣言を表し、2列目以降はユーザ宣言の影響による各関数の宣言の状態を表す。
下記表において、

user-defined default ctor dtor copy ctor copy assign move ctor move assign == <=>
undeclared = default = default = default = default = default = default undeclared undeclared
non-default ctor undeclared = default = default = default = default = default undeclared undeclared
default ctor - = default = default = default = default = default undeclared undeclared
dtor = default - = default = default = default = default undeclared undeclared
copy ctor = default = default - = default = default = default undeclared undeclared
copy assign = default = default = default - = default = default undeclared undeclared
move ctor = default = default = delete = delete - = default undeclared undeclared
move assign = default = default = delete = delete = default - undeclared undeclared
== - - - - - - - undeclared
<=> - - - - - - undeclared -

テーブル注

上記表より、下記のようなことがわかる。

これらの特殊メンバ関数に対しての設計のガイドラインには、以下のようなものがある。

この2つの原則(ガイドライン)の使い分けに関しては、

とすることで安全で保守性性の高いコードを設計できる。

ゼロの原則(Rule of Zero)

「ゼロの原則」は、リソース管理を直接クラスで行わず、 リソース管理を専門とするクラス (例: 標準ライブラリのRAII(scoped guard)クラス)に任せる設計ガイドラインを指す。 この法則に従うと、自身で特殊メンバ関数を定義する必要がななくなる。

    //  example/term_explanation/rule_of_zero_ut.cpp 9

    class RuleZero {
    public:
        RuleZero(std::list<std::string> const& strs, std::string const& s) : strs_{strs}, s_{s} {}
        std::list<std::string> const& GetStrs() const noexcept { return strs_; }
        std::string const&            GetStr() const noexcept { return s_; }

        // 特殊メンバ関数は、メンバの特殊メンバ関数に任せる
    private:
        std::list<std::string> strs_{};
        std::string            s_{};
    };
    //  example/term_explanation/rule_of_zero_ut.cpp 26

    auto z = RuleZero(std::list<std::string>{"1", "2", "3"}, "str");

    auto coied = z;             // コピーは自動生成に任せる(ゼロの原則)
    auto moved = std::move(z);  // ムーブも自動生成に任せる(ゼロの原則)

    ASSERT_EQ(coied.GetStr(), moved.GetStr());
    ASSERT_EQ(coied.GetStrs(), moved.GetStrs());

クラスがリソースを直接管理する場合、メモリリークや二重解放などのリスクを伴う。 上記のように信頼性の高いクラスに特殊メンバ関数の処理を任せることにより、 クラス自体にリソース管理の責任を持たせる必要がなくなる。

五の原則(Rule of Five)

「五の原則」は、 クラスがリソース(例: 動的メモリやファイルハンドルなど)を管理する場合、 デフォルトコンストラクタを除く特殊メンバ関数、 つまり以下の5つの関数をすべて適切に定義する必要があるという設計ガイドラインを指す。

特殊メンバ関数の挙動を正しく定義しないと、 リソースの不適切な管理(例: メモリリーク、リソースの二重解放)を招く可能性がある。 自動生成されるメンバ関数では、 複雑なリソース管理の要件を満たせないことがある(「シャローコピー」参照)。

なお、「五の原則」は、「六の原則」と呼ばれることもある。 その場合、この原則が対象とする関数は、 特殊メンバ関数のすべてとなる。

このガイドラインに従って、コピーやムーブを実装する場合、

に従わなけならない。

トリビアル型

トリビアル型とは、

である。その結果、トリビアル型とは、トリビアルに破壊可能な型となる。

「型Tがトリビアルであること」と「以下の行がコンパイルできること」は等価である。

    static_assert(std::is_trivial_v<T>);

下記のコードはその使用例である。

    //  example/term_explanation/trivial_ut.cpp 63

    static_assert(std::is_trivial_v<int>);
    static_assert(std::is_trivial_v<int*>);
    static_assert(std::is_trivial_v<int[1]>);
    static_assert(!std::is_trivial_v<int&>);

    enum class SizeUndefined { su_0, su_1 };

    struct Trivial {      // トリビアルだが標準レイアウトではない
        int&          a;  // リファレンスは標準レイアウトではない
        SizeUndefined b;
    };

    static_assert(!std::is_standard_layout_v<Trivial>);
    static_assert(std::is_trivial_v<Trivial>);
    static_assert(!is_pod_v<Trivial>);

トリビアルに破壊可能な型

「トリビアルに破壊可能な型(Trivially Destructible)」とは、以下の条件を満たす型を指す。

    //  example/term_explanation/trivial_ut.cpp 84

    static_assert(std::is_trivially_destructible_v<int>);
    static_assert(std::is_trivially_destructible_v<int*>);
    static_assert(std::is_trivially_destructible_v<int[1]>);
    static_assert(std::is_trivially_destructible_v<int&>);

    enum class SizeUndefined { su_0, su_1 };

    struct Trivial {  // トリビアルに破壊可能でないため、トリビアル型ではない
        int           a;
        SizeUndefined b;
        ~Trivial() {}
    };

    static_assert(std::is_standard_layout_v<Trivial>);
    static_assert(!std::is_trivial_v<Trivial>);
    static_assert(!std::is_trivially_destructible_v<Trivial>);

標準レイアウト型

「型Tが標準レイアウトであること」と「以下の行がコンパイルできること」は等価である。

    static_assert(std::is_standard_layout_v<T>);

下記のコードはその使用例である。

    //  example/term_explanation/trivial_ut.cpp 42

    static_assert(std::is_standard_layout_v<int>);
    static_assert(std::is_standard_layout_v<int*>);
    static_assert(std::is_standard_layout_v<int[1]>);
    static_assert(!std::is_standard_layout_v<int&>);

    enum class SizeUndefined { su_0, su_1 };

    struct StanderdLayout {  // 標準レイアウトだがトリビアルではない
        StanderdLayout() : a{0}, b{SizeUndefined::su_0} {}
        int           a;
        SizeUndefined b;
    };

    static_assert(std::is_standard_layout_v<StanderdLayout>);
    static_assert(!std::is_trivial_v<StanderdLayout>);
    static_assert(!is_pod_v<StanderdLayout>);

集成体

型Tが集成体であるための条件を以下に示す。

POD

PODとは、 Plain Old Dataの略語であり、 「型TがPODであること」と「以下の行がコンパイルできること」は等価である。

    static_assert(std::is_pod_v<T>);  // is_podはC++20から非推奨

「型がトリビアル型且つ標準レイアウト型であること」と 「型がPODであること」は等価であるため、C++20では、 PODという用語は非推奨となった。 従って、std::is_pod_vは以下のように置き換えられるべきである。

    //  example/term_explanation/trivial_ut.cpp 9

    template <typename T>  // std::is_povはC++20から非推奨
    constexpr bool is_pod_v = std::is_trivial_v<T>&& std::is_standard_layout_v<T>;

下記のコードは置き換えられたstd::is_pod_vの使用例である。

    //  example/term_explanation/trivial_ut.cpp 18

    static_assert(is_pod_v<int>);
    static_assert(is_pod_v<int const>);
    static_assert(is_pod_v<int*>);
    static_assert(is_pod_v<int[3]>);
    static_assert(!is_pod_v<int&>);  // リファレンスはPODではない

    struct Pod {};

    static_assert(is_pod_v<Pod>);
    static_assert(is_pod_v<Pod const>);
    static_assert(is_pod_v<Pod*>);
    static_assert(is_pod_v<Pod[3]>);
    static_assert(!is_pod_v<Pod&>);

    struct NonPod {  // コンストラクタがあるためPODではない
        NonPod();
    };

    static_assert(!is_pod_v<NonPod>);

上記からわかる通り、POD型とは概ね、C言語と互換性のある型を指すと思って良い。

不完全型

不完全型とは、型のサイズや構造が不明な型を指す。 以下のis_completeで示したテンプレート定数で、不完全型か否かを判定できる。

    //  example/term_explanation/incomplete_type_ut.cpp 4

    template <typename T, typename = void>
    struct is_complete : std::false_type {
    };

    template <typename T>  // sizeof(T) が有効であれば、Tは完全型であると判定
    struct is_complete<T, std::void_t<decltype(sizeof(T))>> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_complete_v = is_complete<T>::value;
    //  example/term_explanation/incomplete_type_ut.cpp 21

    class A;  // Aの前方宣言
              // これ以降、Aは不完全型となる

    // auto a = sizeof(A);  Aが不完全型であるため、コンパイルエラー
    static_assert(!is_complete_v<A>);
    //  example/term_explanation/incomplete_type_ut.cpp 31

    class A {  // この宣言により、この行以降はAは完全型になる
    public:
        // 何らかの宣言
    };

    auto a = sizeof(A);  // Aが完全型であるため、コンパイル可能
    static_assert(is_complete_v<A>);

完全型

不完全型ではない型を指す。

ポリモーフィックなクラス

ポリモーフィックなクラスとは仮想関数を持つクラスや、 ポリモーフィックなクラスから派生したクラスを指す。 なお、純粋仮想関数を持つクラスは、 仮想クラスと呼ばれれる(「インターフェースクラス」参照)。 ポリモーフィックなクラスと、 非ポリモーフィックなクラスはRTTIとの組み合わせで動作の違いが顕著となる。

非ポリモーフィックなクラスは非静的なメンバ変数が定義された順にメモリ上に配置されたレイアウトを持つ (CPUアーキテクチャに依存したパディング領域が変数間に挿入されることもある)。 このようなクラスはPOD (C++20では、PODという用語は非推奨 となり、トリビアル型標準レイアウト型に用語が分割された)とも呼ばれ、 C言語の構造体のレイアウトと互換性を持つことが一般的である。

ポリモーフィックなクラスは、 仮想関数呼び出しを行う(「オーバーライドとオーバーロードの違い」参照) ためのメモリレイアウトが必要になる。 それを示すために、まずは下記のようにクラスX、Y、Zを定義する。

    //  example/term_explanation/class_layout_ut.cpp 4

    class X {
    public:
        virtual int64_t GetX() { return x_; }
        virtual ~X() {}

    private:
        int64_t x_{1};
    };

    class Y : public X {
    public:
        virtual int64_t GetX() override { return X::GetX() + y_; }
        virtual int64_t GetY() { return y_; }
        virtual ~Y() override {}

    private:
        int64_t y_{2};
    };

    class Z : public Y {
    public:
        virtual int64_t GetX() override { return Y::GetX() + z_; }
        virtual int64_t GetY() override { return Y::GetY() + z_; }
        virtual int64_t GetZ() { return z_; }
        virtual ~Z() override {}

    private:
        int64_t z_{3};
    };

通常のC++コンパイラが作り出すX、Y、Zの概念的なメモリレイアウトは下記のようになる。

下図中のvtbl(virtual table または virtual function table)とは、 仮想関数ポインタを保持するための構造体であり、仮想関数呼び出しを解決するための仕組みである。

各クラスがvtblへのポインタを保持するため、このドキュメントで使用しているg++では、 sizeof(X)は8ではなく16、sizeof(Y)は16ではなく24、sizeof(Z)は24ではなく32となる。

g++の場合、以下のオプションを使用し、クラスのメモリレイアウトをファイルに出力することができる。

    //  example/term_explanation/Makefile 28

    CCFLAGS_ADD:=-fdump-lang-class

X、Y、Zのメモリレイアウトは以下の様に出力される。

    Vtable for X
    X::_ZTV1X: 5 entries
    0     (int (*)(...))0
    8     (int (*)(...))(& _ZTI1X)
    16    (int (*)(...))X::GetX
    24    (int (*)(...))X::~X
    32    (int (*)(...))X::~X

    Class X
       size=16 align=8
       base size=16 base align=8
    X (0x0x7f54bbc23a80) 0
        vptr=((& X::_ZTV1X) + 16)

    Vtable for Y
    Y::_ZTV1Y: 6 entries
    0     (int (*)(...))0
    8     (int (*)(...))(& _ZTI1Y)
    16    (int (*)(...))Y::GetX
    24    (int (*)(...))Y::~Y
    32    (int (*)(...))Y::~Y
    40    (int (*)(...))Y::GetY

    Class Y
       size=24 align=8
       base size=24 base align=8
    Y (0x0x7f54bbc3f000) 0
        vptr=((& Y::_ZTV1Y) + 16)
      X (0x0x7f54bbc23d20) 0
          primary-for Y (0x0x7f54bbc3f000)

    Vtable for Z
    Z::_ZTV1Z: 7 entries
    0     (int (*)(...))0
    8     (int (*)(...))(& _ZTI1Z)
    16    (int (*)(...))Z::GetX
    24    (int (*)(...))Z::~Z
    32    (int (*)(...))Z::~Z
    40    (int (*)(...))Z::GetY
    48    (int (*)(...))Z::GetZ

    Class Z
       size=32 align=8
       base size=32 base align=8
    Z (0x0x7f54bbc3f068) 0
        vptr=((& Z::_ZTV1Z) + 16)
      Y (0x0x7f54bbc3f0d0) 0
          primary-for Z (0x0x7f54bbc3f068)
        X (0x0x7f54bbc43060) 0
            primary-for Y (0x0x7f54bbc3f0d0)

このようなメモリレイアウトは、

    //  example/term_explanation/class_layout_ut.cpp 40

    auto z_ptr = new Z;

のようなオブジェクト生成に密接に関係する。その手順を下記の疑似コードにより示す。

    // ステップ1  メモリアロケーション
    void* ptr = malloc(sizeof(Z));

    // ステップ2  ZオブジェクトのX部分の初期化
    X* x_ptr = (X*)ptr;
    x_ptr->vtbl = &vtbl_for_X       // Xのコンストラクタ呼び出し処理
    x_ptr->x_ = 1;                  // Xのコンストラクタ呼び出し処理

    // ステップ3  ZオブジェクトのY部分の初期化
    Y* y_ptr = (Y*)ptr;
    y_ptr->vtbl = &vtbl_for_Y       // Yのコンストラクタ呼び出し処理
    y_ptr->y_ = 2;                  // Yのコンストラクタ呼び出し処理

    // ステップ4  ZオブジェクトのZ部分の初期化
    Z* z_ptr = (Z*)ptr;
    z_ptr->vtbl = &vtbl_for_Z       // Zのコンストラクタ呼び出し処理
    z_ptr->z_ = 3;                  // Zのコンストラクタ呼び出し処理

オブジェクトの生成がこのように行われるため、Xのコンストラクタ内で仮想関数GetX()を呼び出した場合、 その時のvtblへのポインタはXのvtblを指しており(上記ステップ2)、X::GetX()の呼び出しとなる (Z::GetX()の呼び出しとはならない)。

なお、オブジェクトの解放は生成とは逆の順番で行われる。

オーバーライドとオーバーロードの違い

下記例では、Base::g()がオーバーロードで、Derived::f()がオーバーライドである (Derived::g()はオーバーロードでもオーバーライドでもない(「name-hiding」参照))。

    //  example/term_explanation/override_overload_ut.cpp 5

    class Base {
    public:
        virtual ~Base() = default;
        virtual std::string f() { return "Base::f"; }
        std::string         g() { return "Base::g"; }

        // g()のオーバーロード
        std::string g(int) { return "Base::g(int)"; }
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        // Base::fのオーバーライド
        virtual std::string f() override { return "Derived::f"; }

        // Base::gのname-hiding
        std::string g() { return "Derived::g"; }
    };

下記図の通り、

vtblとは仮想関数テーブルとも呼ばれる、仮想関数ポインタを保持するための上記のようなテーブルである (「ポリモーフィックなクラス」参照)。

Base::f()、Derived::f()の呼び出し選択は、オブジェクトの表層の型ではなく、実際の型により決定される。 Base::g()、Derived::g()の呼び出し選択は、オブジェクトの表層の型により決定される。

    //  example/term_explanation/override_overload_ut.cpp 29

    auto  ret   = std::string{};
    auto  b     = Base{};
    auto  d     = Derived{};
    Base& d_ref = d;

    ret = b.f();  // Base::f()呼び出し
    ASSERT_EQ("Base::f", ret);

    ret = d.f();  // Derived::f()呼び出し
    ASSERT_EQ("Derived::f", ret);

    ret = b.g();  // Base::g()呼び出し
    ASSERT_EQ("Base::g", ret);

    ret = d.g();  // Derived::g()呼び出し
    ASSERT_EQ("Derived::g", ret);
    // ret = d.g(int{});   // Derived::gによって、Base::gが隠されるのでコンパイルエラー

    ret = d_ref.f();  // Base::fはDerived::fによってオーバーライドされたので、Derived::f()呼び出し
    ASSERT_EQ("Derived::f", ret);

    ret = d_ref.g();  // d_refの表層型はBaseなので、Base::g()呼び出し
    ASSERT_EQ("Base::g", ret);

    ret = d_ref.g(int{});  // d_refの表層型はBaseなので、Base::g(int)呼び出し
    ASSERT_EQ("Base::g(int)", ret);

上記のメンバ関数呼び出し

    d_ref.f() 

がどのように解釈され、Derived::f()が選択されるかを以下に疑似コードで例示する。

    vtbl = d_ref.vtbl             // d_refの実態はDerivedなのでvtblはDerivedのvtbl

    member_func = vtbl->f         // vtbl->fはDerived::f()のアドレス

    (d_ref.*member_func)(&d_ref)  // member_func()の呼び出し

このようなメカニズムにより仮想関数呼び出しが行われる。

RTTI

RTTI(Run-time Type Information)とは、プログラム実行中のオブジェクトの型を導出するための機能であり、 具体的には下記の3つの要素を指す。

dynamic_cast

dynamic_castは、実行時の型チェックと安全なダウンキャストを行うためのキャスト演算子であるため、 ポリモーフィックなクラスとは密接な関係を持つ。

下記のようなポリモーフィックなクラスに対しては、

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 8

    class Polymorphic_Base {  // ポリモーフィックな基底クラス
    public:
        virtual ~Polymorphic_Base() = default;
    };

    class Polymorphic_Derived : public Polymorphic_Base {  // ポリモーフィックな派生クラス
    };

dynamic_castは下記のように振舞う。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 25

    auto b = Polymorphic_Base{};
    auto d = Polymorphic_Derived{};

    Polymorphic_Base& b_ref_d = d;
    Polymorphic_Base& b_ref_b = b;

    // ポインタへのdynamic_cast
    auto* d_ptr = dynamic_cast<Polymorphic_Derived*>(&b_ref_d);
    ASSERT_EQ(d_ptr, &d);

    auto* d_ptr2 = dynamic_cast<Polymorphic_Derived*>(&b_ref_b);
    ASSERT_EQ(d_ptr2, nullptr);  // キャストできない場合、nullptrが返る

    // リファレンスへのdynamic_cast
    auto& d_ref = dynamic_cast<Polymorphic_Derived&>(b_ref_d);
    ASSERT_EQ(&d_ref, &d);

    // キャストできない場合、エクセプションのが発生する
    ASSERT_THROW(dynamic_cast<Polymorphic_Derived&>(b_ref_b), std::bad_cast);

一方で、下記のような非ポリモーフィックなクラスに対しては、

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 102

    class NonPolymorphic_Base {  // 非ポリモーフィックな基底クラス
    };

    class NonPolymorphic_Derived : public NonPolymorphic_Base {  // 非ポリモーフィックな派生クラス
    };

dynamic_castは下記のように振舞う。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 115

    auto b = NonPolymorphic_Base{};
    auto d = NonPolymorphic_Derived{};

    NonPolymorphic_Base& b_ref_d = d;
    NonPolymorphic_Base& b_ref_b = b;

    #if 0  // 非ポリモーフィックなクラスへのdynamic_castはill-formedになる
    auto* d_ptr = dynamic_cast<NonPolymorphic_Derived*>(&b_ref_d);
    auto* d_ptr2 = dynamic_cast<NonPolymorphic_Derived*>(&b_ref_b);
    
    //virtual関数を持たないため、リファレンスへのdynamic_castはコンパイルできない
    auto& d_ref = dynamic_cast<NonPolymorphic_Derived&>(b_ref_d);
    ASSERT_THROW(dynamic_cast<NonPolymorphic_Derived&>(b_ref_b), std::bad_cast);
    #endif

typeid

typeidはRTTIオブジェクトの型情報 (std::type_info)を実行時に取得するための演算子である。 dynamic_castとは違い、 typeidのオペランドはポリモーフィックなクラスのインスタンスでなくても良い。 以下の例では基本型に対するtypeidが返すstd::type_infoの振る舞いを表す。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 52

    int   i{};
    long  j{};
    auto& i_ref = i;

    auto const& type_info_i     = typeid(i);
    auto const& type_info_i_ref = typeid(i_ref);

    ASSERT_NE(typeid(i), typeid(j));
    ASSERT_EQ(type_info_i, type_info_i_ref);
    ASSERT_STREQ(type_info_i.name(), "i");  // 実装定義の型名(clang++/g++ではintはi)

下記のようなポリモーフィックなクラスのインスタンスに関して、

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 8

class Polymorphic_Base {  // ポリモーフィックな基底クラス
public:
    virtual ~Polymorphic_Base() = default;
};

class Polymorphic_Derived : public Polymorphic_Base {  // ポリモーフィックな派生クラス
};

typeidが返すstd::type_infoオブジェクトは下記のように振舞う。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 65

    auto b = Polymorphic_Base{};
    auto d = Polymorphic_Derived{};

    Polymorphic_Base& b_ref_d = d;
    Polymorphic_Base& b_ref_b = b;

    // ポリモーフィックなクラスインスタンスに対するtypeidが返す
    // std::type_infoオブジェクトが示す型は、オペランドの実際の型である。
    // * b_ref_dの表層の型:Polymorphic_Base
    // * b_ref_dの実際の型:Polymorphic_Derived
    // 下記のアサーションはこのことを表す。
    ASSERT_EQ(typeid(b_ref_d), typeid(d));  // b_ref_dとdの実際の型が同じであることを示す
    ASSERT_EQ(typeid(b_ref_b), typeid(b));  // b_ref_bとbの表層の型が同じであることを示す

一方で、下記のような非ポリモーフィックなクラスに対しては、

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 102

    class NonPolymorphic_Base {  // 非ポリモーフィックな基底クラス
    };

    class NonPolymorphic_Derived : public NonPolymorphic_Base {  // 非ポリモーフィックな派生クラス
    };

typeidが返すstd::type_infoオブジェクトは下記のように振舞う。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 139

    auto b = NonPolymorphic_Base{};
    auto d = NonPolymorphic_Derived{};

    NonPolymorphic_Base& b_ref_d = d;
    NonPolymorphic_Base& b_ref_b = b;

    // 非ポリモーフィックなクラスインスタンスに対するtypeidが返す
    // std::type_infoオブジェクトが示す型は、オペランドの表層の型である。
    // * b_ref_dの表層の型:Polymorphic_Base
    // * b_ref_dの実際の型:Polymorphic_Derived
    // 下記のアサーションはこのことを表す。
    ASSERT_EQ(typeid(b_ref_d), typeid(b));  // b_ref_dとdの表層の型が同じであることを示す
    ASSERT_EQ(typeid(b_ref_b), typeid(b));  // b_ref_bとbの表層の型が同じであることを示す

従って、このような場合のtypeidは静的な型(表層の型)に対しての情報を返すため、 コンパイル時にのみ評価され、ランタイム時に評価されない。

ポリモーフィックなクラスのオブジェクトをオペランドとするtypeidの実行は、 そのオペランドの実際のオブジェクトの型を取得することはすでに示した。 このような場合、オペランド式は実行時に評価される。以下のコードはそのことを表している。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 87

    Polymorphic_Base    base;
    Polymorphic_Derived derived;
    Polymorphic_Base*   base_ptr = &derived;

    ASSERT_EQ(typeid(Polymorphic_Derived), typeid(*base_ptr));
    ASSERT_EQ(typeid(Polymorphic_Base), typeid(*(base_ptr = &base)));  // 注意

    // ポリモーフィックなクラスは対しては、typeid内の式が実行される
    ASSERT_EQ(base_ptr, &base);  // base_ptr = &baseが実行される

一方、非ポリモーフィックなクラスのオブジェクトをオペランドとするtypeidのオペランド式は、 コンパイル時に処理されるため、その式は実行されない。以下のコードはそのことを表している。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 161

    NonPolymorphic_Base    base;
    NonPolymorphic_Derived derived;
    NonPolymorphic_Base*   base_ptr = &derived;

    ASSERT_NE(typeid(NonPolymorphic_Derived), typeid(*base_ptr));
    ASSERT_EQ(typeid(NonPolymorphic_Base), typeid(*(base_ptr = &base)));  // 注意

    // 非ポリモーフィックなクラスに対しては、typeid内の式は実行されない
    ASSERT_EQ(base_ptr, &derived);  // base_ptr = &baseは実行されない

std::type_info

type_infoクラスは、typeid演算子によって返される、型の情報が格納された型である。

std::type_infoはコンパイラの実装で定義された型名を含んでいる。 以下のコードで示したようにstd::type_info::name()によりその型名を取り出すことができる。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 179

    auto s = std::string{"str"};
    auto v = std::string_view{"str"};
    auto b = std::byte{0b1001};

    ASSERT_STREQ(typeid(s).name(), "Ss");       // 実装定義の型名
    ASSERT_STREQ(typeid(b).name(), "St4byte");  // 実装定義の型名
    ASSERT_STREQ(typeid(v).name(), "St17basic_string_viewIcSt11char_traitsIcEE");

std::type_info::name()が返すCスタイルの文字列リテラルを、 「人間が認知できる元の型名に戻す関数」を通常のコンパイラは独自に提供する。 このドキュメントのコードのコンパイルに使用しているg++/clang++では、 そのような関数は、abi::__cxa_demangleである。

std::type_info::name()abi::__cxa_demangleを利用して、 オブジェクトの被修飾型名をstd::stringオブジェクトとして取り出す関数とその使用例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 191

    #include <cxxabi.h>  // g++/clang++実装依存ヘッダ abi::__cxa_demangleの宣言

    #include <memory>
    #include <string>

    template <typename T>
    std::string type2str(T&& obj)
    {
        int status;

        // objに基づく型情報を取得
        auto demangled = std::unique_ptr<char, decltype(&std::free)>{
            abi::__cxa_demangle(typeid(obj).name(), 0, 0, &status), &std::free};

        return demangled ? demangled.get() : "unknown";
    }
    //  example/term_explanation/rtti_ut.cpp 213

    int   i{};
    auto  s     = std::string{"str"};
    auto& s_ref = s;
    auto  v     = std::string_view{"str"};

    ASSERT_EQ(type2str(i), "int");
    ASSERT_EQ(type2str(s), "std::string");
    ASSERT_EQ(type2str(s_ref), "std::string");
    ASSERT_EQ(type2str(v), "std::basic_string_view<char, std::char_traits<char> >");

    auto b = Polymorphic_Base{};
    auto d = Polymorphic_Derived{};

    Polymorphic_Base& b_ref_d = d;
    Polymorphic_Base& b_ref_b = b;

    ASSERT_EQ(type2str(b_ref_d), "Polymorphic_Derived");  // b_ref_dの実際の型はPolymorphic_Derived
    ASSERT_EQ(type2str(b_ref_b), "Polymorphic_Base");  // b_ref_bの実際の型はPolymorphic_Base

Run-time Type Information

RTTI」を参照せよ。

インターフェースクラス

インターフェースクラスとは、純粋仮想関数のみを持つ抽象クラスのことを指す。 インターフェースクラスは、クラスの実装を提供することなく、 クラスのインターフェースを定義するために使用される。 インターフェースクラスは、クラスの仕様を定義するために使用されるため、 多くの場合、抽象基底クラスとして使用される。

    //  example/term_explanation/interface_class.cpp 8

    class InterfaceClass {  // インターフェースクラス
    public:
        virtual void DoSomething(int32_t) = 0;
        virtual bool IsXxx() const        = 0;
        virtual ~InterfaceClass()         = 0;
    };

    class NotInterfaceClass {  // メンバ変数があるためインターフェースクラスではない
    public:
        NotInterfaceClass();
        virtual void DoSomething(int32_t) = 0;
        virtual bool IsXxx() const        = 0;
        virtual ~NotInterfaceClass()      = 0;

    private:
        int32_t num_;
    };

constインスタンス

constインスタンスは、ランタイムまたはコンパイル時に初期化され、 その後、状態が不変であるインスタンスである。 必ずしも以下に示すようにconstインスタンスがコンパイル時に値が定まっているわけではない。 constexprインスタンスはconstインスタンスである。 C++03までのコンパイラに、 最適化の一環でstatic constインスタンスをconstexprインスタンスと扱うものもあった。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 13

    using namespace std;
    auto const str = string{"str"};  // strはプログラムがこの行を通過するときに初期化

    char const* c_str = str.c_str();

    static_assert(!is_const_v<decltype(c_str)>);
    c_str = nullptr;  // c_strは変数としてconstではない
    static_assert(is_const_v<remove_reference_t<decltype(*c_str)>>);  // *cは_strはconst
    static_assert(is_same_v<char const&, decltype(*c_str)>);  // *c_strはconstリファレンス

    char const* const cc_str = c_str;

    static_assert(is_const_v<decltype(cc_str)>);
    // cc_str = nullptr;  // cc_strは変数としてconstであるためコンパイルエラー
    static_assert(is_const_v<remove_reference_t<decltype(*cc_str)>>);  // *cc_strはconst
    static_assert(is_same_v<char const&, decltype(*cc_str)>);  // *cc_strはconstリファレンス

    constexpr int c_int = 1;
    static_assert(is_const_v<decltype(c_int)>);  // c_intはcons

constexpr

constexprはC++11で導入されたキーワードで、 関数や変数をコンパイル時に評価可能にする。 これにより、定数計算がコンパイル時に行われ、 実行時のパフォーマンスが向上し、コンパイル時にエラーを検出できることがある。

constexpr定数

C++11以前で定数を定義する方法は、

の方法があったが、それぞれの方法には下記のような問題がある。

こういった問題を解決できるのがconstexpr定数である。constexpr定数とは下記のような定数を指す。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 40

    template <int N>
    struct Templ {
        static constexpr auto value = N;  // valueは定数
    };
    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 49

    constexpr int a = 5;  // aは定数であるためかきのような使い方ができる
    static_assert(a == 5);

    constexpr int b = 5;  // bは定数でないため、下記のような使い方ができない
    // static_assert(b == 5);  // コンパイルエラー

    constexpr double PI{3.14159265358979323846};  // PIはconstexpr

    auto templ = Templ<a>{};  // aはconstexprなのでaの初期化が可能

    static_assert(templ.value == 5);

constexpr定数がif文のオカレンスになる場合、constexpr if文することで、 ill-formedを使用した場合分けが可能になる。

constexpr関数

関数にconstexprをつけて宣言することで定数を定義することができる。 constexpr関数の呼び出し式の値がコンパイル時に確定する場合、 その値はconstexpr定数となるため、関数呼び出しが発生しないため、実行効率が向上する。 一方で、constexpr関数の呼び出し式の値が、コンパイル時に確定しない場合、 通常の関数呼び出しと同じになる。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 68

    constexpr int f(int a) noexcept { return a * 3; }  // aがconstexprならばf(a)もconstexpr
    int g(int a) noexcept { return a * 3; }            // aがconstexprであってもg(a)は非constexpr
    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 78

    auto x = int{0};

    constexpr auto a = f(3);     // f(3)はconstexprなのでaの初期化が可能
    // constexpr auto b = f(x);  // xは非constexprなのでbの初期化はコンパイルエラー
    auto const c = f(3);         // cはconstexpr定数と定義とすべき
    // constexpr auto d = g(3);  // g(3)は非constexprなのでdの初期化はコンパイルエラー
    auto const e = g(x);         // eはここで初期化して、この後不変

C++11の規約では、constexpr関数の制約は厳しく、 for/if文や条件分岐のような処理を含むことができなかったため、 下記のコード例で示した通り、条件演算子とリカーシブコールをうことが多かった。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 148

    constexpr uint64_t bit_mask(uint32_t max)
    {
        return max == 0 ? 0 : (1ULL << (max - 1)) | bit_mask(max - 1);
    }
    constexpr uint64_t bit_mask_0 = bit_mask(4);  // C++11ではコンパイルエラー
    static_assert(0b1111 == bit_mask_0);

このため、可読性、保守性があったため、C++14で制約が緩和され、 さらにC++17では for/if文などの一般的な制御構文も使えるようになった。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 157

    constexpr uint64_t bit_mask_for(uint32_t max)
    {
        uint64_t ret = 0;

        for (auto i = 0u; i < max; ++i) {
            ret |= 1ULL << i;
        }

        return ret;
    }
    constexpr uint64_t bit_mask_1 = bit_mask_for(4);  // C++17からサポート
    static_assert(0b1111 == bit_mask_1);

コア定数式

コア定数式(core constant expression)とは以下の条件を満たす式である。

  1. 以下のいずれかに該当する式であること
  2. 以下のすべてを満たすこと:
  3. その式の評価において:

このドキュメントでは慣用的にconstexpr定数と呼んでいる概念が、コア定数式である。

リテラル型

constexpr導入後のC++11の標準では、下記の条件を満たすクラスは、

constexpr定数もしくはconstexprインスタンスをコンストラクタに渡すことにより、 constexprインスタンスを生成できる。

このようなクラスは慣習的にリテラル型(literal type)と呼ばれる。

以下にリテラル型を例示する。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 94

    class Integer {
    public:
        constexpr Integer(int32_t integer) noexcept : integer_{integer} {}
        constexpr operator int() const noexcept { return integer_; }  // constexprメンバ関数はconst
        constexpr int32_t Allways2() const noexcept { return 2; }     // constexprメンバ関数はconst
        static constexpr int32_t Allways3() noexcept { return 3; }    // static関数のconstexpr化

    private:
        int32_t integer_;
    };
    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 112

    constexpr auto i5 = 5;                // i5はconstexprインスタンス
    constexpr auto int_5 = Integer{i5};   // int_5はconstexprインスタンス
    static_assert(int_5 == 5);            // intへの暗黙の型変換

    auto i3  = 3;                         // i3はconstexpr定数ではない
    auto int_3 = Integer{i3};             // int_3はconstexprインスタンスではない
    // static_assert(int_3 == 5);         // int_3がconstexprではないため、コンパイルエラー
    static_assert(int_3.Allways2() == 2); // int_3はconstexprインスタンスではないが、
                                          // int_3.Allways2()はconstexprt定数
    static_assert(int_3.Allways3() == 3); // int_3はconstexprインスタンスではないが、
                                          // int_3.Allways3()はconstexprt定数

constexprインスタンス

constexpr定数を引数にして、リテラル型のconstexprコンストラクタを呼び出せば、 constexprインスタンスを生成できる。このリテラル型を使用して下記のようにユーザー定義リテラル を定義することで、constexprインスタンスをより簡易に使用することができるようになる。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 130

    constexpr Integer operator"" _i(unsigned long long int value)  // ユーザ定義リテラルの定義
    {
        return Integer(static_cast<int32_t>(value));
    }
    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 140

    constexpr auto i = 123_i;
    static_assert(i == 123);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(i), Integer const>);

consteval

constevalはC++20 から導入されたキーワードであり、 常にコンパイル時に評価されることを保証する関数を定義するために使用される。 このキーワードを使用すると、引数や関数内の処理がコンパイル時に確定できなければ、 コンパイルエラーが発生する。constexprと異なり、ランタイム評価が許されないため、 パフォーマンスの最適化やコンパイル時のエラー検出に特化した関数を作成する際に便利である。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 187

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    consteval uint64_t bit_mask(uint32_t max)  // コンパイル時、評価ができなければエラー

    #else // C++17
    constexpr uint64_t bit_mask(uint32_t max)  // コンパイル時、評価されるとは限らない
    #endif
    {
        if (max == 0) {
            return 0;
        }
        else {
            return (1ULL << (max - 1)) | bit_mask(max - 1);
        }
    }
    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 209

    static_assert(0b1111'1111 == bit_mask(8));

    // auto i = 8UL;         // bit_maskがconstevalであるため、コンパイルエラー
    constexpr auto i = 8UL;  // iがconstexpであるためbit_maskががコンパイル時評価されるため、
    auto bm = bit_mask(i);   // bit_mask(i)の呼び出しは効率的になる
                             // bmをconsexprにするとさらに効率的になる

    ASSERT_EQ(0b1111'1111, bm);

constexprラムダ

constexprラムダはC++17から導入された機能であり、以下の条件を満たしたラムダ式である。

    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 226

    constexpr auto factorial = [](int n) {  // constexpr ラムダの定義
        int result = 1;
        for (int i = 2; i <= n; ++i) {
            result *= i;
        }
        return result;
    };

    constexpr int fact_5 = factorial(5);  // コンパイル時に計算される
    static_assert(fact_5 == 120);
    //  example/term_explanation/const_xxx_ut.cpp 243

    constexpr auto factorial = [](auto self, int n) -> int {  // リカーシブconstexprラムダ
        return (n <= 1) ? 1 : n * self(self, n - 1);
    };

    constexpr int fact_5 = factorial(factorial, 5);  // コンパイル時の評価
    static_assert(fact_5 == 120);

オブジェクトと生成

リスト初期化

リスト初期化とは、C++11で導入された{}を使ったオブジェクトの初期化構文を指す。 以下にコード例を示す。

    //  example/term_explanation/uniform_initialization_ut.cpp 12

    struct X {
        X(int) {}
    };

    X x0(0);   // 通常従来のコンストラクタ呼び出し
    X x1 = 0;  // 暗黙の型変換を使用した従来のコンストラクタ呼び出し

    X x2{0};     // リスト初期化
    X x3 = {0};  // 暗黙の型変換を使用したリスト初期化

    struct Y {
        Y(int, double, std::string) {}
    };

    auto lamda = [](int, double, std::string) -> Y {
        return {1, 3.14, "hello"};  // 暗黙の型変換を使用したリスト初期化でのYの生成
    };

変数による一様初期化が縮小型変換を起こす場合や、 リテラルによる一様初期化がその値を変更する場合、コンパイルエラーとなるため、 この機能を積極的に使用することで、縮小型変換による初期化のバグを未然に防ぐことができる。

    //  example/term_explanation/uniform_initialization_ut.cpp 34

    int i{0};  // リスト初期化

    bool b0 = 7;  // 縮小型変換のため、b0の値はtrue(通常は1)となる
    ASSERT_EQ(b0, 1);

    // bool b1{7};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー
    // bool b2{i};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー

    uint8_t u8_0 = 256;  // 縮小型変換のためu8_0は0となる
    ASSERT_EQ(u8_0, 0);

    // uint8_t u8_1{256};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー
    // uint8_t u8_2{i};    // 縮小型変換のため、コンパイルエラー

    uint8_t array0[3]{1, 2, 255};  // リスト初期化
    // uint8_t array1[3] = {1, 2, 256};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー
    // uint8_t array2[3]{1, 2, 256};     // 縮小型変換のため、コンパイルエラー
    // uint8_t array2[3]{1, 2, i};       // 縮小型変換のため、コンパイルエラー

    int i0 = 1.0;  // 縮小型変換のため、i0の値は1
    ASSERT_EQ(i0, 1);

    // int i1{1.0};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー

    double d{1};  // 縮小型変換は起こらないのでコンパイル可能
    // int i2{d};  // 縮小型変換のため、コンパイルエラー

一様初期化

一様初期化(Uniform Initialization)は 、 リスト初期化による初期化方法がC++における初期化を統一的に扱えるように設計された概念を指さす。

初期化子リストコンストラクタ

初期化子リストコンストラクタ(リスト初期化用のコンストラクタ)とは、 {}によるリスト初期化をサポートするためのコンストラクタである。 下記コードでは、 E::E(std::initializer_list<uint32_t>)が初期化子リストコンストラクタである。

    //  example/term_explanation/constructor_ut.cpp 6

    class E {
    public:
        E() : str_{"default constructor"} {}

        // 初期化子リストコンストラクタ
        explicit E(std::initializer_list<uint32_t>) : str_{"initializer list constructor"} {}

        explicit E(uint32_t, uint32_t) : str_{"uint32_t uint32_t constructor"} {}

        std::string const& GetString() const { return str_; }

    private:
        std::string const str_;
    };

    TEST(Constructor, initializer_list_constructor)
    {
        E const e0;
        ASSERT_EQ("default constructor", e0.GetString());

        E const e1{};
        ASSERT_EQ("default constructor", e1.GetString());

        E const e2{3, 4};  // E::E(uint32_t, uint32_t)の呼び出しと区別が困難
        ASSERT_EQ("initializer list constructor", e2.GetString());

        E const e3(3, 4);  // E::E(std::initializer_list<uint32_t>)の呼び出しと区別が困難
        ASSERT_EQ("uint32_t uint32_t constructor", e3.GetString());
    }

デフォルトコンストラクタと初期化子リストコンストラクタが、 それぞれに定義されているクラスの初期化時に空の初期化子リストが渡された場合、 デフォルトコンストラクタが呼び出される。

初期化子リストコンストラクタと、 「その初期化子リストの要素型と同じ型の仮引数のみを受け取るコンストラクタ (上記コードのE::E(uint32_t, uint32_t))」 の両方を持つクラスの初期化時にどちらでも呼び出せる初期化子リストが渡された場合({}を使った呼び出し)、 初期化子コンストラクタが呼び出される。

継承コンストラクタ

継承コンストラクタとは、基底クラスで定義したコンストラクタ群を、 派生クラスのインターフェースとしても使用できるようにするための機能である。 下記コードのように、継承コンストラクタは派生クラス内でusingを用いて宣言される。

    //  example/term_explanation/constructor_ut.cpp 40

    class Base {
    public:
        explicit Base(int32_t b) noexcept : b_{b} {}
        virtual ~Base() = default;
        ...
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        using Base::Base;  // 継承コンストラクタ
    #if 0
        Derived(int32_t b) : Base{b} {}  // オールドスタイル
    #endif
    };

    void f() noexcept
    {
        Derived d{1};  // Derived::Derived(int32_t)が使える
        ...
    }

委譲コンストラクタ

委譲コンストラクタとは、コンストラクタから同じクラスの他のコンストラクタに処理を委譲する機能である。 以下のコード中では、委譲コンストラクタを使い、 A::A(uint32_t)の処理をA::A(std::string const&)へ委譲している。

    //  example/term_explanation/constructor_ut.cpp 72

    class A {
    public:
        explicit A(std::string str) : str_{std::move(str)}
        {
            ...
        }

        explicit A(uint32_t num) : A{std::to_string(num)}  // 委譲コンストラクタ
        {
        }

    private:
        std::string str_;
    };

非静的なメンバ変数の初期化

非静的なメンバ変数の初期化には下記の3つの方法がある。

同一変数に対して、 「NSDMI」と「初期化子リストでの初期化」 が行われた場合、その変数に対するNSDMIは行われない。

NSDMI

NSDMIとは、non-static data member initializerの略語であり、 下記のような非静的なメンバ変数の初期化子を指す。

    //  example/term_explanation/nsdmi.cpp 9

    class A {
    public:
        A() : a_{1}  // NSDMIではなく、非静的なメンバ初期化子による初期化
        {
        }

    private:
        int32_t     a_;
        int32_t     b_ = 0;        // NSDMI
        std::string str_{"init"};  // NSDMI
    };

初期化子リストでの初期化

「非静的メンバ変数をコンストラクタの本体よりも前に初期化する」言語機能である。 メンバ変数は宣言された順序で初期化されるため、 初期化子リストでの順序は、実際の初期化の順序とは関係がない。

この機能を使うことで、メンバ変数の初期化処理が簡素に記述できる。 constメンバ変数は、初期化子リストでの初期化かNSDMIでしか初期化できない。

    //  example/term_explanation/nsdmi.cpp 25

    class A {
    public:
        A(int a, int b) : a_{a}, v_{a, b, 3}  // 非静的なメンバ初期化子による初期化
        {
        }

    private:
        int              a_;
        std::vector<int> v_;
    };

コンストラクタ内での非静的なメンバ変数の初期値の代入

この方法は単なる代入でありメンバ変数の初期化ではない。

NSDMI初期化子リストでの初期化で初期化できない変数を未初期化でない状態にするための唯一の方法である。

    //  example/term_explanation/nsdmi.cpp 40

    class A {
    public:
        A(int a, int b)
        {
            a_ = b;                     // 非静的なメンバのコンストラクタでの代入
            v_ = std::vector{a, b, 3};  // 非静的なメンバのコンストラクタでの代入
        }

    private:
        int              a_;
        std::vector<int> v_;
    };

オブジェクトの所有権

オブジェクトxがオブジェクトaの解放責務を持つ場合、 xはaの所有権を持つ(もしくは、所有する) という。

定義から明らかな通り、ダイナミックに生成されたaをxが所有する場合、 xはa(へのポインタ)をdeleteする責務を持つ。

xがaを所有し、且つxがaを他のオブジェクトと共有しない場合、「xはaを排他所有する」という。

オブジェクト群x0、x1、…、xNがaを所有する場合、 「x0、x1、…、xNはaを共有所有する」という。

x0、x1、…、xNがaを共有所有する場合、x0、x1、…、xN全体で、a(へのポインタ)をdeleteする責務を持つ。

下記で示したような状況では、 ダイナミックに生成されたオブジェクトの所有権の所在をコードから直ちに読み取ることは困難であり、 その解放責務も曖昧となる。

    //  example/term_explanation/ambiguous_ownership_ut.cpp 11

    class A {
        // 何らかの宣言
    };

    class X {
    public:
        explicit X(A* a) : a_{a} {}
        A* GetA() { return a_; }

    private:
        A* a_;
    };

    auto* a = new A;
    auto  x = X{a};
    // aがxに排他所有されているのか否かの判断は難しい

    auto x0 = X{new A};
    auto x1 = X{x0.GetA()};
    // x0生成時にnewされたオブジェクトがx0とx1に共有所有されているのか否かの判断は難しい

こういった問題に対処するためのプログラミングパターンを以下の 「オブジェクトの排他所有」と「オブジェクトの共有所有」で解説する。

オブジェクトの排他所有

オブジェクトの排他所有や、それを容易に実現するための std::unique_ptr の仕様をを説明するために、下記のようにクラスA、Xを定義する。

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 7

    class A final {
    public:
        explicit A(int32_t n) noexcept : num_{n} { last_constructed_num_ = num_; }
        ~A() { last_destructed_num_ = num_; }

        int32_t GetNum() const noexcept { return num_; }

        static int32_t LastConstructedNum() noexcept { return last_constructed_num_; }
        static int32_t LastDestructedNum() noexcept { return last_destructed_num_; }

    private:
        int32_t const  num_;
        static int32_t last_constructed_num_;
        static int32_t last_destructed_num_;
    };

    int32_t A::last_constructed_num_ = -1;
    int32_t A::last_destructed_num_  = -1;

    class X final {
    public:
        // Xオブジェクトの生成と、ptrからptr_へ所有権の移動
        explicit X(std::unique_ptr<A>&& ptr) : ptr_{std::move(ptr)} {}

        // ptrからptr_へ所有権の移動
        void Move(std::unique_ptr<A>&& ptr) noexcept { ptr_ = std::move(ptr); }

        // ptr_から外部への所有権の移動
        std::unique_ptr<A> Release() noexcept { return std::move(ptr_); }

        A const* GetA() const noexcept { return ptr_ ? ptr_.get() : nullptr; }

    private:
        std::unique_ptr<A> ptr_{};
    };

下記に示した上記クラスの単体テストにより、 オブジェクトの所有権やその移動、 std::unique_ptr、std::move()、rvalueの関係を解説する。

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 48

    // ステップ0
    // まだ、クラスAオブジェクトは生成されていないため、
    // A::LastConstructedNum()、A::LastDestructedNum()は初期値である-1である。
    ASSERT_EQ(-1, A::LastConstructedNum());     // まだ、A::A()は呼ばれてない
    ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない
    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 57

    // ステップ1
    // a0、a1がそれぞれ初期化される。
    auto a0 = std::make_unique<A>(0);           // a0はA{0}を所有
    auto a1 = std::make_unique<A>(1);           // a1はA{1}を所有

    ASSERT_EQ(1,  A::LastConstructedNum());     // A{1}は生成された
    ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 67

    // ステップ2
    // xが生成され、オブジェクトA{0}の所有がa0からxへ移動する。
    ASSERT_EQ(0, a0->GetNum());                 // a0はA{0}を所有
    auto x = X{std::move(a0)};                  // xの生成と、a0からxへA{0}の所有権の移動
    ASSERT_FALSE(a0);                           // a0は何も所有していない

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 75

    // ステップ3
    // オブジェクトA{1}の所有がa1からxへ移動する。
    // xは以前保持していたA{0}オブジェクトへのポインタをdeleteするため
    // (std::unique_ptrによる自動delete)、A::LastDestructedNum()の値が0になる。
    ASSERT_EQ(1, a1->GetNum());                 // a1はA{1}を所有
    x.Move(std::move(a1));                      // xによるA{0}の解放
                                                // a1からxへA{1}の所有権の移動
    ASSERT_EQ(0, A::LastDestructedNum());       // A{0}は解放された
    ASSERT_FALSE(a1);                           // a1は何も所有していない
    ASSERT_EQ(1, x.GetA()->GetNum());           // xはA{1}を所有

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 88

    // ステップ4
    // x.ptr_はstd::unique_ptr<A>であるため、ステップ3の状態では、
    // x.ptr_はA{1}オブジェクトのポインタを保持しているが、
    // x.Release()はそれをrvalueに変換し戻り値にする。
    // その戻り値をa2で受け取るため、A{1}の所有はxからa2に移動する。
    std::unique_ptr<A> a2{x.Release()};         // xからa2へA{1}の所有権の移動
    ASSERT_EQ(nullptr, x.GetA());               // xは何も所有していない
    ASSERT_EQ(1, a2->GetNum());                 // a2はA{1}を所有

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 99

    // ステップ5
    // a2をstd::move()によりrvalueに変換し、ブロック内のa3に渡すことで、
    // A{1}の所有はa2からa3に移動する。
    {
        std::unique_ptr<A> a3{std::move(a2)};
        ASSERT_FALSE(a2);                       // a2は何も所有していない
        ASSERT_EQ(1, a3->GetNum());             // a3はA{1}を所有

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 109

        // ステップ6
        // このブロックが終了することで、std::unique_ptrであるa3のデストラクタが呼び出される。
        // これはA{1}オブジェクトへのポインタをdeleteする。
    }                                      // a3によるA{1}の解放
    ASSERT_EQ(1, A::LastDestructedNum());  // A{1}が解放されたことの確認

また、以下に見るようにstd::unique_ptrはcopy生成やcopy代入を許可しない。

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 123

    auto a0 = std::make_unique<A>(0);

    // auto a1 = a0;                            // 下記のようなメッセージでコンパイルエラー
    //      unique_ptr_ownership_ut.cpp:125:15: error: use of deleted function ‘std::unique_ptr ...

    auto a1 = std::move(a0);                    // すでに示したようにmove生成は可能
    
    auto a2 = std::unique_ptr<A>{};

    // a2 = a1;                                 // 下記のようなメッセージでコンパイルエラー
    //      unique_ptr_ownership_ut.cpp:131:10: error: use of deleted function ‘std::unique_ptr ...

    a2 = std::move(a1);                         // すでに示したようにmove代入は可能

    //
    auto x0 = X{std::make_unique<A>(0)};

    // auto x1 = x0;                            // Xはstd::unique_ptrをメンバとするため、
                                                // デフォルトのcopyコンストラクタによる生成は
                                                // コンパイルエラー
    auto x1 = std::move(x0);                    // デフォルトのmove生成は可能

    auto x2 = X{std::make_unique<A>(0)};

    // x2 = x1;                                 // Xはstd::unique_ptrをメンバとするため、
                                                // デフォルトのcopy代入子の呼び出しは
                                                // コンパイルエラー
    x2 = std::move(x1);                         // デフォルトのmove代入は可能

以上で示したstd::unique_ptrの仕様の要点をまとめると、以下のようになる。

    //  example/term_explanation/unique_ptr_ownership_ut.cpp 161

    // 以下のようなコードを書いてはならない

    auto a0 = std::make_unique<A>(0);
    auto a1 = std::unique_ptr<A>{a0.get()};  // a1もa0が保持するオブジェクトを保持するが、
                                             // 保持されたオブジェクトは二重解放される

    auto a_ptr = new A{0};

    auto a2 = std::unique_ptr<A>{a_ptr};
    auto a3 = std::unique_ptr<A>{a_ptr};  // a3もa2が保持するオブジェクトを保持するが、
                                          // 保持されたオブジェクトは二重解放される

こういった機能によりstd::unique_ptrはオブジェクトの排他所有を実現している。

オブジェクトの共有所有

オブジェクトの共有所有や、それを容易に実現するための std::shared_ptr の仕様をを説明するために、下記のようにクラスA、Xを定義する。

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 7

    class A final {
    public:
        explicit A(int32_t n) noexcept : num_{n} { last_constructed_num_ = num_; }
        ~A() { last_destructed_num_ = num_; }

        int32_t GetNum() const noexcept { return num_; }

        static int32_t LastConstructedNum() noexcept { return last_constructed_num_; }
        static int32_t LastDestructedNum() noexcept { return last_destructed_num_; }

    private:
        int32_t const  num_;
        static int32_t last_constructed_num_;
        static int32_t last_destructed_num_;
    };

    int32_t A::last_constructed_num_ = -1;
    int32_t A::last_destructed_num_  = -1;

    class X final {
    public:
        // Xオブジェクトの生成と、ptrからptr_へ所有権の移動もしくは共有
        explicit X(std::shared_ptr<A> ptr) : ptr_{std::move(ptr)} {}

        // ptrからptr_へ所有権の移動
        void Move(std::shared_ptr<A>&& ptr) noexcept { ptr_ = std::move(ptr); }

        int32_t UseCount() const noexcept { return ptr_.use_count(); }

        A const* GetA() const noexcept { return ptr_ ? ptr_.get() : nullptr; }

    private:
        std::shared_ptr<A> ptr_{};
    };

下記に示した上記クラスの単体テストにより、 オブジェクトの所有権やその移動、共有、 std::shared_ptr、std::move()、rvalueの関係を解説する。

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 47

    // ステップ0
    // まだ、クラスAオブジェクトは生成されていないため、
    // A::LastConstructedNum()、A::LastDestructedNum()は初期値である-1である。
    ASSERT_EQ(-1, A::LastConstructedNum());     // まだ、A::A()は呼ばれてない
    ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない
    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 56

    // ステップ1
    // a0、a1がそれぞれ初期化される。
    auto a0 = std::make_shared<A>(0);           // a0はA{0}を所有
    auto a1 = std::make_shared<A>(1);           // a1はA{1}を所有
    ASSERT_EQ(1, a0.use_count());               // A{0}の共有所有カウント数は1
    ASSERT_EQ(1, a1.use_count());               // A{1}の共有所有カウント数は1

    ASSERT_EQ(1,  A::LastConstructedNum());     // A{1}は生成された
    ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 68

    // ステップ2
    // x0が生成され、オブジェクトA{0}がa0とx0に共同所有される。
    ASSERT_EQ(0, a0->GetNum());                 // a0はA{0}を所有
    ASSERT_EQ(1, a0.use_count());               // A{0}の共有所有カウントは1
    auto x0 = X{a0};                            // x0の生成と、a0とx0によるA{0}の共有所有
    ASSERT_EQ(2, a0.use_count());               // A{0}の共有所有カウント数は2
    ASSERT_EQ(2, x0.UseCount());
    ASSERT_EQ(x0.GetA(), a0.get());

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 79

    // ステップ3
    // x1が生成され、オブジェクトA{0}の所有がa0からx1へ移動する。
    auto x1 = X{std::move(a0)};                 // x1の生成と、a0からx1へA{0}の所有権の移動
    ASSERT_EQ(x1.GetA(), x1.GetA());            // x0、x1がA{0}を共有所有
    ASSERT_EQ(2, x0.UseCount());                // A{0}の共有所有カウント数は2
    ASSERT_EQ(2, x1.UseCount());
    ASSERT_FALSE(a0);                           // a0は何も所有していない

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 89

    // ステップ4
    // オブジェクトA{1}の所有がa1からx1へ移動する。
    // この時、x1::ptr_は下記のような手順で以前保持していたA{0}オブジェクトへの所有を放棄する。
    //  1. x1::ptr_の共有所有カウント(ptr_.use_count()の戻り値)をデクリメント
    //  2. 共有所有カウントが0ならば、ptr_で保持しているオブジェクト(この場合、A{0})をdelete
    //  3. x1::ptr_の管理対象をに新規オブジェクト(この場合、A{1})に変更
    //
    // ここでは、x0::ptr_がA{0}を所有しているため、共有所有カウントは1であり、
    // 従って、A{0}はdeleteされず、A::LastDestructedNum()の値は-1のまま。
    ASSERT_EQ(1, a1->GetNum());                 // a1はA{1}を所有
    ASSERT_EQ(0, x1.GetA()->GetNum());          // x1はA{0}を所有
    ASSERT_EQ(2, x1.UseCount());                // A{0}の共有所有カウント数は2
    x1.Move(std::move(a1));                     // x1はA{0}の代わりに、A{1}を所有
                                                // a1からx1へA{1}の所有権の移動
    ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // x0がA{0}を所有するため、A{0}は未解放
    ASSERT_FALSE(a1);                           // a1は何も所有していない
    ASSERT_EQ(1, x1.GetA()->GetNum());          // x1はA{1}を所有
    ASSERT_EQ(1, x1.UseCount());                // A{1}の共有所有カウント数は1

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 110

    // ステップ5
    // 現時点でx1はA{1}オブジェクトを保持している。
    // x1::Moveに空のstd::shared_ptrを渡すことにより、A{1}を解放する。
    x1.Move(std::shared_ptr<A>{});              // x1に空のstd::shared_ptr<A>を代入することで、
                                                // A{1}を解放
    ASSERT_EQ(nullptr, x1.GetA());              // x1は何も保持していない
    ASSERT_EQ(1, A::LastDestructedNum());       // A{1}が解放された

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 120

    // ステップ6
    // 現時点でx0はA{0}オブジェクトを保持している。
    //
    // ここでは、x0からx2、x3をそれぞれcopy、move生成し、
    // この次のステップ7では、x2、x3がスコープアウトすることでA{0}を解放する。
    {
        ASSERT_EQ(0, x0.GetA()->GetNum());      // x0はA{0}を所有
        ASSERT_EQ(1, x0.UseCount());            // A{0}の共有所有カウント数は1
        auto x2 = x0;                           // x0からx2をcopy生成
        ASSERT_EQ(x0.GetA(), x2.GetA());
        ASSERT_EQ(2, x0.UseCount());            // A{0}の共有所有カウント数は2

        auto x3 = std::move(x0);                // x0からx2をmove生成、x0はA{0}の所有を放棄
        ASSERT_EQ(nullptr, x0.GetA());
        ASSERT_EQ(0, x2.GetA()->GetNum());      // x2はA{0}を保有
        ASSERT_EQ(x2.GetA(), x3.GetA());        // x2、x3はA{0}を共有保有
        ASSERT_EQ(2, x2.UseCount());            // A{1}の共有所有カウント数は2

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 142

        // ステップ7
        // このブロックが終了することで、x2、x3はスコープアウトする。
        // デストラクタ呼び出しの順序はコンストラクタ呼び出しの逆になるため、
        // 最初にx3::~X()が呼び出され、この延長でx3::ptr_のデストラクタが呼び出される。
        // これによりA{0}のの共有所有カウントは1になる。
        // 次にx2::~X()が呼び出され、この延長でx2::ptr_のデストラクタが呼び出される。
        // これによりA{0}のの共有所有カウントは0になり、A{0}はdeleteされる。
        // 
    }   // x2、x3のスコープアウト
    ASSERT_EQ(0, A::LastDestructedNum());  // A{0}が解放された
    

以上で示したstd::shared_ptrの仕様の要点をまとめると、以下のようになる。

    //  example/term_explanation/shared_ptr_ownership_ut.cpp 162

    // 以下のようなコードを書いてはならない

    auto a0 = std::make_shared<A>(0);
    auto a1 = std::shared_ptr<A>{a0.get()};  // a1もa0が保持するオブジェクトを保持するが、
                                             // 保持されたオブジェクトは二重解放される

    auto a_ptr = new A{0};

    auto a2 = std::shared_ptr<A>{a_ptr};
    auto a3 = std::shared_ptr<A>{a_ptr};  // a3もa2が保持するオブジェクトを保持するが、
                                          // 保持されたオブジェクトは二重解放される

こういった機能によりstd::shared_ptrはオブジェクトの共有所有を実現している。

オブジェクトの循環所有

std::unique_ptrの使い方を誤ると、 以下のコード例が示すようにメモリーリークが発生する。

なお、この節の題名である「オブジェクトの循環所有」という用語は、 この前後の節がダイナミックに確保されたオブジェクトの所有の概念についての解説しているため、 この用語を選択したが、文脈によっては、「オブジェクトの循環参照」といった方がふさわしい場合もある。

まずは、リークが発生しないstd::unique_ptrの正しい使用例を示す。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 8

    class Y;
    class X final {
    public:
        explicit X() noexcept { ++constructed_counter; }
        ~X() { --constructed_counter; }

        static uint32_t constructed_counter;

    private:
        std::shared_ptr<Y> y_{};
    };
    uint32_t X::constructed_counter;

    class Y final {
    public:
        explicit Y() noexcept { ++constructed_counter; }
        ~Y() { --constructed_counter; }

        static uint32_t constructed_counter;

    private:
        std::shared_ptr<X> x_{};
    };
    uint32_t Y::constructed_counter;

上記のクラスの使用例を示す。下記をステップ1とする。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 39

    {  // ステップ1
        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 0);
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 0);

        auto x0 = std::make_shared<X>();
        auto y0 = std::make_shared<Y>();

        ASSERT_EQ(x0.use_count(), 1);

        ASSERT_EQ(y0.use_count(), 1);

        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);

上記の続きを以下に示し、ステップ2とする。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 55
        // ステップ2

        auto x1 = x0;
        auto y1 = y0;

        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);  // 新しいオブジェクトが生成されるわけではない
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);  // 新しいオブジェクトが生成されるわけではない

        ASSERT_EQ(x1.use_count(), 2);  // コピーしたため、参照カウントが増えた
        ASSERT_EQ(y1.use_count(), 2);  // コピーしたため、参照カウントが増えた

上記の続きを以下に示し、ステップ3とする。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 67
        // ステップ3

        auto x2 = std::move(x1);
        auto y2 = std::move(y1);

        ASSERT_EQ(x1.use_count(), 0);  // ムーブしたため、参照カウントが0に
        ASSERT_EQ(y1.use_count(), 0);  // ムーブしたため、参照カウントが0に

        ASSERT_EQ(x0.use_count(), 2);  // x0からムーブしていないので参照カウントは不変
        ASSERT_EQ(y0.use_count(), 2);  // x0からムーブしていないので参照カウントは不変

上記の続きを以下に示し、ステップ4とする。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 79

    }  // この次の行で、x0、x2、y0、y2はスコープアウトし、X、Yオブジェクトは解放される

    ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 0);  // Xオブジェクトの解放の確認
    ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 0);  // Yオブジェクトの解放の確認

このような動作により、std::make_shared<>で生成されたX、Yオブジェクトは解放される。

次にshare_ptrを使用し、循環する参照を作ったためにオブジェクトが解放されないコード例を示す。 まずはクラスの定義から。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 91

    class Y;
    class X final {
    public:
        explicit X() noexcept { ++constructed_counter; }
        ~X() { --constructed_counter; }

        void Register(std::shared_ptr<Y> y) { y_ = y; }

        std::shared_ptr<Y> const& ref_y() const noexcept { return y_; }

        bool DoSomething() { return true; }

        static uint32_t constructed_counter;

    private:
        std::shared_ptr<Y> y_{};
    };
    uint32_t X::constructed_counter;

    class Y final {
    public:
        explicit Y() noexcept { ++constructed_counter; }
        ~Y() { --constructed_counter; }

        void Register(std::shared_ptr<X> x) { x_ = x; }

        std::shared_ptr<X> const& ref_x() const noexcept { return x_; }

        bool DoSomething() { return x_ ? x_->DoSomething() : false; }

        static uint32_t constructed_counter;

    private:
        std::shared_ptr<X> x_{};
    };
    uint32_t Y::constructed_counter;

上記のクラスの動作を以下に示したコードで示す。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 134

    {
        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 0);
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 0);

        auto x0 = std::make_shared<X>();

        ASSERT_EQ(x0.use_count(), 1);
        ASSERT_EQ(x0->ref_y().use_count(), 0);  // X::y_は何も管理していない

        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);  // Xオブジェクトは1つ生成された

x0のライフタイムに差を作るために新しいスコープを導入し、そのスコープ内で、y0を生成し、 X::RegisterY::Register`を用いて、循環を作ってしまう例(メモリーリークを起こすバグ)を示す。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 147

        {
            auto y0 = std::make_shared<Y>();

            ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);  // Yオブジェクトは1つ生成された
            ASSERT_EQ(y0.use_count(), 1);
            ASSERT_EQ(y0->ref_x().use_count(), 0);  // Y::x_は何も管理していない

            ASSERT_FALSE(y0->DoSomething());  // Y::DoSomethingの処理をX::DoSomethingに委譲

            x0->Register(y0);  // これによりx0とy0が互いに所有し合う(循環参照)
            y0->Register(x0);  // これによりx0とy0が互いに所有し合う(循環参照)
            ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);  // 新しいオブジェクトが生成されるわけではない
            ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);  // 新しいオブジェクトが生成されるわけではない

            ASSERT_TRUE(y0->DoSomething());  // Y::DoSomethingの処理をX::DoSomethingに委譲

下記のコードでは、y0がスコープアウトするが、そのタイミングでは、x0はまだ健在であるため、 Yオブジェクトの参照カウントは1になる(x0::y_が存在するため0にならない)。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 165

            ASSERT_EQ(x0.use_count(), 2);  // x0、y0が相互に参照するので参照カウントが2に
            ASSERT_EQ(y0->ref_x().use_count(), 2);
            ASSERT_EQ(y0.use_count(), 2);  // x0、y0が相互に参照するので参照カウントが2に
            ASSERT_EQ(x0->ref_y().use_count(), 2);
        }  //ここでy0がスコープアウトする

        ASSERT_EQ(x0->ref_y().use_count(), 1);  // y0がスコープアウトしたため、
                                                // Yオブジェクトの参照カウントが減った

次に、x0がスコープアウトし、そのタイミングではY::x_が健在であるため、 Xオブジェクトの参照カウントも1になる。このため、x0、y0がスコープアウトした状態でも、 X、Yオブジェクトの参照カウントは0にならず、従ってこれらのオブジェクトは解放されない (shared_ptrは参照カウントが0->1に変化するタイミングで保持するオブジェクトを解放する)。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 176
    }  // この次の行で、x0はスコープアウトする

    ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);  // Xオブジェクトは未開放であり、リークが発生
    ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);  // Yオブジェクトは未開放であり、リークが発生

X、Yオブジェクトへのハンドルを完全に失った状態であり、X、Yオブジェクトを解放する手段はない。

std::weak_ptr

std::weak_ptrは、スマートポインタの一種である。

std::weak_ptrは参照カウントに影響を与えず、共有所有ではなく参照のみを保持するのため、 オブジェクトの循環所有の問題を解決できる。

オブジェクトの循環所有で示した問題のあるクラスの修正版を以下に示す (以下の例では、Xは前のままで、Yのみ修正した)。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 188

    class Y;
    class X final {
    public:
        explicit X() noexcept { ++constructed_counter; }
        ~X() { --constructed_counter; }

        void Register(std::shared_ptr<Y> y) { y_ = y; }

        std::shared_ptr<Y> const& ref_y() const noexcept { return y_; }

        bool DoSomething() { return true; }

        static uint32_t constructed_counter;

    private:
        std::shared_ptr<Y> y_{};
    };
    uint32_t X::constructed_counter;

    class Y final {
    public:
        explicit Y() noexcept { ++constructed_counter; }
        ~Y() { --constructed_counter; }

        void Register(std::shared_ptr<X> x) { x_ = x; }

        std::weak_ptr<X> const& ref_x() const noexcept { return x_; }

        bool DoSomething()
        {
            if (auto x = x_.lock(); x) {  // weak_ptrからshared_ptrの生成
                static_assert(std::is_same_v<std::shared_ptr<X>, decltype(x)>);
                return x->DoSomething();
            }
            else {
                return false;
            }
        }

        static uint32_t constructed_counter;

    private:
        std::weak_ptr<X> x_{};
    };
    uint32_t Y::constructed_counter;

このコードからわかるように修正版YはXオブジェクトを参照するために、 std::weak_ptr<X>を使用する。 std::weak_ptr<X>にアクセスする必要があるときに、 下記のY::DoSomething()関数の内部処理のようにすることで、 std::weak_ptr<X>オブジェクトから、 それと紐づいたstd::shared_ptr<X>オブジェクトを生成できる。

なお、上記コードは初期化付きif文を使うことで、 生成したstd::shared_ptr<X>オブジェクトのスコープを最小に留めている。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 218

        bool DoSomething()
        {
            if (auto x = x_.lock(); x) {  // weak_ptrからshared_ptrの生成
                static_assert(std::is_same_v<std::shared_ptr<X>, decltype(x)>);
                return x->DoSomething();
            }
            else {
                return false;
            }
        }

Xと修正版Yの単体テストによりメモリーリークが修正されたことを以下に示す。

    //  example/term_explanation/weak_ptr_ut.cpp 244

    {
        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 0);
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 0);

        auto x0 = std::make_shared<X>();
        auto y0 = std::make_shared<Y>();

        ASSERT_EQ(x0.use_count(), 1);
        ASSERT_EQ(x0->ref_y().use_count(), 0);  // X::y_は何も管理していない

        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);  // Xオブジェクトは1つ生成された
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);  // Yオブジェクトは1つ生成された

        ASSERT_EQ(y0.use_count(), 1);
        ASSERT_EQ(y0->ref_x().use_count(), 0);  // Y::x_は何も管理していない

        ASSERT_FALSE(y0->DoSomething());  // Y::DoSomethingの処理をX::DoSomethingに委譲

        x0->Register(y0);  // これによりy0にy0を渡す。y0 -> x0の参照はshared_ptrによって行う
        y0->Register(x0);  // これによりx0にy0を渡すが、y0 -> x0の参照はweak_ptrによって行う
        ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 1);  // 新しいオブジェクトが生成されるわけではない
        ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 1);  // 新しいオブジェクトが生成されるわけではない

        ASSERT_TRUE(y0->DoSomething());  // Y::DoSomethingの処理をX::DoSomethingに委譲

        ASSERT_EQ(x0.use_count(), 1);  // Xオブジェクトはx0に所有されるが、y0には所有されない
        ASSERT_EQ(y0->ref_x().use_count(), 1);  // weak_ptr<X>::use_count
        ASSERT_EQ(y0.use_count(), 2);  // Yオブジェクトはy0とx0から共有所有されるため
        ASSERT_EQ(x0->ref_y().use_count(), 2);  // Yオブジェクトはy0とx0から共有所有されるため
    }  // この次の行で、x0、y0はスコープアウトする。

    ASSERT_EQ(X::constructed_counter, 0);  // Xオブジェクトは開放済み
    ASSERT_EQ(Y::constructed_counter, 0);  // Yオブジェクトは開放済み

オブジェクトのライフタイム

オブジェクトは、以下のような種類のライフタイムを持つ。

なお、リファレンスの初期化をrvalueで行った場合、 そのrvalueはリファレンスがスコープを抜けるまで存続し続ける。

rvalueをバインドするリファレンスが存在しない状態で、 そのrvalueがメンバ変数へのリファレンスを返す関数を呼び出し、 そのリファレンスをバインドするリファレンス変数を初期化した場合、 リファレンスが指すオブジェクトはすでにライフタイムを終了している。 このような状態のリファレンスをdanglingリファレンスと呼ぶ。 同様に、このような状態のポインタをdanglingポインタと呼ぶ。

オブジェクトのコピー

シャローコピー

シャローコピー(浅いコピー)とは、暗黙的、 もしくは=defaultによってコンパイラが生成するようなcopyコンストラクタ、 copy代入演算子が行うコピーであり、ディープコピーと対比的に使われる概念である。

以下のクラスShallowOKには、コンパイラが生成するcopyコンストラクタ、 copy代入演算子と同等なものを定義したが、これは問題のないシャローコピーである (が、正しく自動生成される関数を実装すると、メンバ変数が増えた際にバグを生み出すことがあるため、 実践的にはこのようなことはすべきではない)。

    //  example/term_explanation/deep_shallow_copy_ut.cpp 7

    class ShallowOK {
    public:
        explicit ShallowOK(char const* str = "") : str_{std::string{str}} {}
        std::string const& GetString() const noexcept { return str_; }

        // 下記2関数を定義しなければ、以下と同等なcopyコンストラクタ、copy代入演算子が定義される。
        ShallowOK(ShallowOK const& rhs) : str_{rhs.str_} {}

        ShallowOK& operator=(ShallowOK const& rhs)
        {
            str_ = rhs.str_;
            return *this;
        }

    private:
        std::string str_;
    };

コンストラクタでポインタのようなリソースを確保し、 デストラクタでそれらを解放するようなクラスの場合、シャローコピーは良く知られた問題を起こす。

下記のShallowNGはその例である。

    //  example/term_explanation/deep_shallow_copy_ut.cpp 43

    class ShallowNG {
    public:
        explicit ShallowNG(char const* str = "") : str_{new std::string{str}} {}
        ~ShallowNG() { delete str_; }
        std::string const& GetString() const noexcept { return *str_; }

    private:
        std::string* str_;
    };

シャローコピーにより、メンバで保持していたポインタ(ポインタが指しているオブジェクトではない) がコピーされてしまうため、下記のコード内のコメントで示した通り、 メモリリークや2重解放を起こしてしまう。

    //  example/term_explanation/deep_shallow_copy_ut.cpp 60

    auto const s0 = ShallowNG{"s0"};

    // NG s0.str_とs1.str_は同じメモリを指すため~ShallowNG()に2重解放される。
    auto const s1 = ShallowNG{s0};

    auto s2 = ShallowNG{"s2"};

    // NG s2.str_が元々保持していたメモリは、解放できなくなる。
    s2 = s0;

    // NG s0.str_とs2.str_は同じメモリを指すため、
    //    s0、s2のスコープアウト時に、~ShallowNG()により、2重解放される。

ディープコピー

ディープコピーとは、シャローコピーが発生させる問題を回避したコピーである。

以下に例を示す。

    //  example/term_explanation/deep_shallow_copy_ut.cpp 79

    class Deep {
    public:
        explicit Deep(char const* str = "") : str_{new std::string{str}} {}
        ~Deep() { delete str_; }
        std::string const& GetString() const noexcept { return *str_; }

        // copyコンストラクタの実装例
        Deep(Deep const& rhs) : str_{new std::string{*rhs.str_}} {}

        // copy代入演算子の実装例
        Deep& operator=(Deep const& rhs)
        {
            *str_ = *(rhs.str_);
            return *this;
        }

    private:
        std::string* str_;
    };

    class Deep2 {  // std::unique_ptrを使いDeepをリファクタリング
    public:
        explicit Deep2(char const* str = "") : str_{std::make_unique<std::string>(str)} {}
        std::string const& GetString() const { return *str_; }

        // copyコンストラクタの実装例
        Deep2(Deep2 const& rhs) : str_{std::make_unique<std::string>(*rhs.str_)} {}

        // copy代入演算子の実装例
        Deep2& operator=(Deep2 const& rhs)
        {
            *str_ = *(rhs.str_);
            return *this;
        }

    private:
        std::unique_ptr<std::string> str_;
    };

上記クラスのDeepは、copyコンストラクタ、copy代入演算子でポインタをコピーするのではなく、 ポインタが指しているオブジェクトを複製することにより、シャローコピーの問題を防ぐ。

スライシング

オブジェクトのスライシングとは、

が宣言されたとした場合、

    d2_ref = d1;    // オブジェクトの代入

を実行した時に発生するようなオブジェクトの部分コピーのことである (この問題はリファレンスをポインタに代えた場合にも起こる)。

以下のクラスと単体テストはこの現象を表している。

    //  example/term_explanation/slice_ut.cpp 10

    class Base {
    public:
        explicit Base(char const* name) noexcept : name0_{name} {}
        char const* Name0() const noexcept { return name0_; }

        ...
    private:
        char const* name0_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        Derived(char const* name0, char const* name1) noexcept : Base{name0}, name1_{name1} {}
        char const* Name1() const noexcept { return name1_; }

        ...
    private:
        char const* name1_;
    };

    TEST(Slicing, reference)
    {
        auto const d0     = Derived{"d0", "d0"};
        auto const d1     = Derived{"d1", "d1"};
        auto       d2     = Derived{"d2", "d2"};
        Base&      d2_ref = d2;

        ASSERT_STREQ("d2", d2.Name0());  // OK
        ASSERT_STREQ("d2", d2.Name1());  // OK

        d2 = d0;
        ASSERT_STREQ("d0", d2.Name0());  // OK
        ASSERT_STREQ("d0", d2.Name1());  // OK

        d2_ref = d1;                     // d2_refはBase&型で、d2へのリファレンス
        ASSERT_STREQ("d1", d2.Name0());  // OK
    #if 0
        ASSERT_STREQ("d1", d2.Name1());  // 本来ならこうなってほしいが、
    #else
        ASSERT_STREQ("d0", d2.Name1());  // スライシングの影響でDerived::name1_はコピーされない
    #endif
    }

copy代入演算子(=)によりコピーが行われた場合、=の両辺のオブジェクトは等価になるべきだが (copy代入演算子をオーバーロードした場合も、そうなるように定義すべきである)、 スライシングが起こった場合、そうならないことが問題である(「等価性のセマンティクス」参照)。

下記にこの現象の発生メカニズムについて解説する。

  1. 上記クラスBase、Derivedのメモリ上のレイアウトは下記のようになる。

  1. 上記インスタンスd0、d1、d2、d2_refのメモリ上のレイアウトは下記のようになる。

  1. d2 = d0をした場合の状態は下記のようになる。

  1. 上記の状態でd2_ref = d1をした場合の状態は下記のようになる。

d2.name1_の値が元のままであるが(これがスライシングである)、その理由は下記の疑似コードが示す通り、 「d2_refの表層型がクラスBaseであるためd1もクラスBase(正確にはBase型へのリファレンス)へ変換された後、 d2_refが指しているオブジェクト(d2)へコピーされた」からである。

    d2_ref.Base::operator=(d1);   // Base::operator=(Base const&)が呼び出される

次に示すのは、 「オブジェクトの配列をその基底クラスへのポインタに代入し、 そのポインタを配列のように使用した場合に発生する」スライシングと類似の現象である。

    //  example/term_explanation/slice_ut.cpp 61

    TEST(Slicing, array)
    {
        Derived d_array[]{{"0", "1"}, {"2", "3"}};
        Base*   b_ptr = d_array;  // この代入までは問題ないが、b_ptr[1]でのアクセスで問題が起こる

        ASSERT_STREQ("0", d_array[0].Name0());  // OK
        ASSERT_STREQ("0", b_ptr[0].Name0());    // OK

        ASSERT_STREQ("2", d_array[1].Name0());  // OK
    #if 0  // スライシングに類似した問題で、以下のテストは失敗する。
        ASSERT_STREQ("2", b_ptr[1].Name0());  // NG
    #else  // こうすればテストは通るが、、、
        ASSERT_STREQ("1", b_ptr[1].Name0());  // NG
    #endif
    }

リテラル

プログラムに具体的な値を与えるための基本的な即値を指す。 例えば、1, 2, 1.0, true/false, nullptr, “literal string”など。

生文字列リテラル

下記の例にあるように正規表現をそのまま文字列リテラルとして表現するために、 C++11から導入された導入されたリテラル。

    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 15

        std::regex raw_re{R"(\d+)"};  // 生文字リテラルで正規表現パターン。\のエスケープが不要
        std::regex normal_re{"(\\d+)"};  // 生文字リテラルで正規表現パターン。\のエスケープが必要

        std::string test_str = "The year is 2024";  // テスト対象の文字列

        {
            std::smatch match;
            ASSERT_TRUE(std::regex_search(test_str, match, raw_re));  // 正規表現で数字部分を検索
            ASSERT_EQ(match.str(), "2024");  // マッチした部分が "2024" であることをチェック
        }
        {
            std::smatch match;
            ASSERT_TRUE(std::regex_search(test_str, match, normal_re));  // 正規表現で数字部分を検索
            ASSERT_EQ(match.str(), "2024");  // マッチした部分が "2024" であることをチェック
        }

2進数リテラル

C++14以降では、0bまたは 0B をプレフィックスとして使うことで、2進数リテラルを表現できる。

    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 36

    int bin_value = 0b1101;  // 2進数リテラル  2進数1101 は10進数で 13
    ASSERT_EQ(bin_value, 13);

数値リテラル

C++14では区切り文字’を使用し、数値リテラルを記述できるようになった。

    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 42

    // 区切り文字を使った数値リテラル
    int large_number = 1'000'000;  // 10進数は3桁で区切るとわかりやすい
    ASSERT_EQ(large_number, 1000000);

    int bin_with_separator = 0b1011'0010;  // 10進数は4桁で区切るとわかりやすい
    ASSERT_EQ(bin_with_separator, 178);    // 2進数 1011 0010 は 10進数で 178

    int hex_with_separator = 0x00'00'ff'ff;  // 16進数は2桁で区切るとわかりやすい
    ASSERT_EQ(hex_with_separator, 65535);    // 16進数 0x00010011 == 65535

ワイド文字列

ワイド文字列リテラルを保持する型は下記のように定義された。

    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 59

        // UTF-16 文字列リテラル(uプレフィックスを使用)
        char16_t       utf16_str[]  = u"こんにちは";
        std::u16string utf16_string = u"こんにちは";  // UTF-16 std::u16string 型

        // UTF-32 文字列リテラル(Uプレフィックスを使用)
        char32_t       utf32_str[]  = U"こんにちは";
        std::u32string utf32_string = U"こんにちは";  // UTF-32 std::u32string 型

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        // UTF-8 文字列リテラル(u8プレフィックスを使用)
        const char8_t* utf8_str    = u8"こんにちは";
        std::u8string  utf8_string = u8"こんにちは";  // UTF-8 std::string 型

    #else // c++17
        // UTF-8 文字列リテラル(u8プレフィックスを使用)
        const char* utf8_str    = "こんにちは";
        std::string utf8_string = "こんにちは";  // UTF-8 std::string 型
    #endif

16進浮動小数点数リテラル

16進浮動小数点数リテラルは、 C++17から導入された浮動小数点数を16進数で表現する方法である。 特に、ハードウェアや低レベルのプログラミングで、 浮動小数点数の内部表現を直接扱う際に便利である

    一般的な形式:
        0x[数字].[数字]p[指数]
        0x: 16進数を表すプレフィックス
        [数字]: 16進数の数字 (0-9, a-f, A-F)
        .: 小数点
        p: 指数部を表す
        [指数]: 10進数の指数

    例:
        0x1.2p3は下記に解説する

    リテラルの構成:
        0x: 16進数の開始を示す。
        1.2: 仮数部を表す。この部分は16進数。
        p3: 指数部を表す。この場合、2の3乗を意味すため、つまり8。

        1.2(16進数) =  1 + 2 / 16 = 1.125(10進数)
        1.125 * 8 = 9.0
    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 87

    // float型
    float hex_float = 0x1.2p3;
    EXPECT_FLOAT_EQ(hex_float, 9.0f);  // 正しい期待値は9.0f

    // double型
    double hex_double = 0x1.2p3;
    EXPECT_DOUBLE_EQ(hex_double, 9.0);  // 正しい期待値は9.0

    // 指数部が負の場合 (double型)
    double negative_exp = 0x1.2p-2;
    EXPECT_DOUBLE_EQ(negative_exp, 0.28125);  // 期待値は正しい

    // 小数点以下の部分がない場合 (double型)
    double integer_part = 0x1p3;
    EXPECT_DOUBLE_EQ(integer_part, 8.0);  // 期待値は正しい

    EXPECT_FLOAT_EQ(static_cast<float>(hex_double), hex_float);  // double型をfloatにキャスト

ユーザー定義リテラル

ユーザ定義リテラル演算子により定義されたリテラルを指す。

ユーザ定義リテラル演算子

ユーザ定義リテラル演算子とは以下のようなものである。

    //  example/term_explanation/user_defined_literal_ut.cpp 4

    constexpr int32_t one_km = 1000;

    // ユーザ定義リテラル演算子の定義
    constexpr int32_t operator""_kilo_meter(unsigned long long num_by_mk) { return num_by_mk * one_km; }
    constexpr int32_t operator""_meter(unsigned long long num_by_m) { return num_by_m; }
    //  example/term_explanation/user_defined_literal_ut.cpp 15

    int32_t km = 3_kilo_meter;  // ユーザ定義リテラル演算子の利用
    int32_t m  = 3000_meter;    // ユーザ定義リテラル演算子の利用

    ASSERT_EQ(m, km);

std::string型リテラル

“xxx”sとすることで、std::string型のリテラルを作ることができる。

    //  example/term_explanation/user_defined_literal_ut.cpp 26

    using namespace std::literals::string_literals;

    auto a = "str"s;  // aはstd::string
    auto b = "str";   // bはconst char*

    static_assert(std::is_same_v<decltype(a), std::string>);
    ASSERT_EQ(std::string{"str"}, a);

    static_assert(std::is_same_v<decltype(b), char const*>);
    ASSERT_STREQ("str", b);

std::chronoのリテラル

std::chronoのリテラルは以下のコードのように使用できる。

    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 109

    using namespace std::chrono_literals;

    static_assert(1s == 1000ms);  // 1秒 (1s) は 1000 ミリ秒 (1000ms) と等しい

    static_assert(1min == 60s);  // 1分 (1min) は 60秒 (60s) と等しい

    static_assert(1h == 3600s);  // 1時間 (1h) は 3600秒 (3600s) と等しい

    static_assert(1.5s == 1500ms);  // 小数点を使った時間リテラル

std::complexリテラル

std::complexリテラル以下のコードのように使用できる。

    //  example/term_explanation/literal_ut.cpp 124

    using namespace std::complex_literals;  // 複素数リテラルを使うための名前空間

    auto a = 1.0 + 2.0i;  // std::complex<double>
    auto b = 3.0 + 4.0i;  // std::complex<double>

    auto result = a + b;
    EXPECT_EQ(result.real(), 4.0);
    EXPECT_EQ(result.imag(), 6.0);
    EXPECT_EQ(result, 4.0 + 6.0i);

==演算子

クラスの==演算子の実装方法には、 メンバ==演算子非メンバ==演算子の2つの方法がある。

メンバ==演算子

メンバ==演算子には、非メンバ==演算子に比べ、下記のようなメリットがある。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 12

    class Integer {
    public:
        Integer(int x) noexcept : x_{x} {}

        // operator==とoperator<だけを定義
        int get() const noexcept { return x_; }

        // メンバ関数の比較演算子
        bool operator==(const Integer& other) const noexcept { return x_ == other.x_; }
        bool operator<(const Integer& other) const noexcept { return x_ < other.x_; }

    private:
        int x_;
    };

すべてのメンバ変数に==演算子が定義されている場合、 C++20以降より、=defaultにより==演算子を自動生成させることができるようになった。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 232

    class Integer {
    public:
        Integer(int x) noexcept : x_{x} {}

        bool operator==(const Integer& other) const noexcept = default;  // 自動生成

    private:
        int x_;
    };

非メンバ==演算子

非メンバ==演算子には、メンバ==演算子に比べ、下記のようなメリットがある。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 56

    class Integer {
    public:
        Integer(int x) noexcept : x_{x} {}

        // operator==とoperator<だけを定義
        int get() const noexcept { return x_; }

        // メンバ関数の比較演算子に見えるが、非メンバ関数
        friend bool operator==(const Integer& lhs, const Integer& rhs) noexcept
        {
            return lhs.x_ == rhs.x_;
        }

        friend bool operator<(const Integer& lhs, const Integer& rhs) noexcept
        {
            return lhs.x_ < rhs.x_;
        }

    private:
        int x_;
    };
    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 84

    auto a = Integer{5};

    ASSERT_TRUE(5 == a);  // 5がInteger{5}に型型変換される

すべてのメンバ変数に==演算子が定義されている場合、 C++20以降より、=defaultにより==演算子を自動生成させることができるようになった。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 256

    class Integer {
    public:
        Integer(int x) noexcept : x_{x} {}

        friend bool operator==(Integer const& lhs, Integer const& rhs) noexcept;

    private:
        int x_;
    };

    bool operator==(Integer const& lhs, Integer const& rhs) noexcept = default;  // 自動生成

比較演算子

比較演算子とは、==演算子の他に、!=、 <=、>、>= <、>を指す。 C++20から導入された<=>演算子の定義により、すべてが定義される。

std::rel_ops

クラスにoperator==operator<の2つの演算子が定義されていれば、 それがメンバか否かにかかわらず、他の比較演算子 !=、<=、>、>= はこれらを基に自動的に導出できる。 std::rel_opsではoperator==operator<= を基に他の比較演算子を機械的に生成する仕組みが提供されている。

次の例では、std::rel_opsを利用して、少ないコードで全ての比較演算子をサポートする例を示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 32

    using namespace std::rel_ops;  // std::rel_opsを使うために名前空間を追加

    auto a = Integer{5};
    auto b = Integer{10};
    auto c = Integer{5};

    // std::rel_opsとは無関係に直接定義
    ASSERT_EQ(a, c);      // a == c
    ASSERT_NE(a, b);      // a != c
    ASSERT_TRUE(a < b);   // aはbより小さい
    ASSERT_FALSE(b < a);  // bはaより小さくない

    // std::rel_ops による!=, <=, >, >=の定義
    ASSERT_TRUE(a != b);   // aとbは異なる
    ASSERT_TRUE(a <= b);   // aはb以下
    ASSERT_TRUE(b > a);    // bはaより大きい
    ASSERT_FALSE(a >= b);  // aはb以上ではない

なお、std::rel_opsはC++20から導入された<=>演算子により不要になったため、 非推奨とされた。

std::tuppleを使用した比較演算子の実装方法

クラスのメンバが多い場合、==演算子で示したような方法は、 可読性、保守性の問題が発生する場合が多い。下記に示す方法はこの問題を幾分緩和する。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 116

    struct Point {
        int x;
        int y;

        bool operator==(const Point& other) const noexcept
        {
            return std::tie(x, y) == std::tie(other.x, other.y);
        }

        bool operator<(const Point& other) const noexcept
        {
            return std::tie(x, y) < std::tie(other.x, other.y);
        }
    };
    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 136

        auto a = Point{1, 2};
        auto b = Point{1, 3};
        auto c = Point{1, 2};

        using namespace std::rel_ops;  // std::rel_opsを使うために名前空間を追加

        ASSERT_TRUE(a == c);
        ASSERT_TRUE(a != b);
        ASSERT_TRUE(a < b);
        ASSERT_FALSE(a > b);

<=>演算子

std::tuppleを使用した比較演算子の実装方法」 で示した定型のコードはコンパイラが自動生成するのがC++規格のセオリーである。 このためC++20から導入されたのが<=>演算子<=>である。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 153

    struct Point {
        int x;
        int y;

        auto operator<=>(const Point& other) const noexcept = default;  // 三方比較演算子 (C++20)
        // 通常autoとするが、実際の戻り型はstd::strong_ordering
    };
    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 166

    auto p1 = Point{1, 2};
    auto p2 = Point{1, 2};
    auto p3 = Point{2, 3};

    ASSERT_EQ(p1, p2);  // p1 == p2
    ASSERT_NE(p1, p3);  // p1 != p3
    ASSERT_TRUE(p1 < p3);
    ASSERT_FALSE(p1 > p3);

    auto cmp_1_2 = p1 <=> p2;
    auto cmp_1_3 = p1 <=> p3;
    auto cmp_3_1 = p3 <=> p1;
    static_assert(std::is_same_v<std::strong_ordering, decltype(cmp_1_2)>);

    ASSERT_EQ(std::strong_ordering::equal, cmp_1_2);    // 等しい
    ASSERT_EQ(std::strong_ordering::less, cmp_1_3);     // <=>の左オペランドが小さい
    ASSERT_EQ(std::strong_ordering::greater, cmp_3_1);  // <=>の左オペランドが大きい

    // std::strong_orderingの値
    // ASSERT_EQ(static_cast<int32_t>(cmp_1_2), 0); キャストできないのでコンパイルエラー
    ASSERT_TRUE(cmp_1_2 == 0);
    ASSERT_TRUE(cmp_1_3 < 0);  // cmp_1_3は実質的には-1
    ASSERT_TRUE(cmp_3_1 > 0);  // cmp_3_1は実質的には1

定型の比較演算子では不十分である場合、<=>演算子を実装する必要が出てくる。 そのような場合に備えて、上記の自動生成コードの内容を敢えて実装して、以下に示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/comparison_operator_ut.cpp 197

    struct Point {
        int x;
        int y;

        std::strong_ordering operator<=>(const Point& other) const noexcept
        {
            return std::tie(x, y) <=> std::tie(other.x, other.y);
        }

        bool operator==(const Point& other) const noexcept
        {
            return std::tie(x, y) == std::tie(other.x, other.y);
        }
    };

三方比較演算子

三方比較演算子とは<=>演算子を指す。

spaceship operator

spaceship operatorとは<=>演算子を指す。 この名前は<=>が宇宙船に見えることに由来としている。

構文

属性構文

C++14から導入されたの属性構文は、[[属性名]]の形式で記述され、 特定のコード要素に対する追加情報やコンパイラへの指示を与えるためのものである。

属性 C++Ver 効果
[[noreturn]] C++11 関数が決して返らないことを示す
[[deprecated]] C++14 関数や変数が非推奨であることを示しめす
[[maybe_unused]] C++17 変数や関数が未使用である警告の抑止
[[nodiscard]] C++17 戻り値が無視されると警告
[[fallthrough]] C++14 switch文のfallthroughの警告抑止
[[no_unique_address]] C++20 クラスや構造体のメンバに対して、メモリの最適化促進
    //  example/term_explanation/attr_ut.cpp 10

    // 非推奨の関数
    [[deprecated("この関数は非推奨です。代わりに newFunction を使用してください。")]]  // 
    void oldFunction();  // この関数を呼び出すと警告される
    void newFunction();
    //  example/term_explanation/attr_ut.cpp 20
    void processValues()
    {
        [[maybe_unused]] int unusedValue = 42;  // 使用しない変数でも警告が出ない

        // do something
    }
    //  example/term_explanation/attr_ut.cpp 28

    [[nodiscard]] int computeResult() { return 42; }

    //  example/term_explanation/attr_ut.cpp 38

    computeResult();               // 警告が出る:戻り値が無視されている
    int result = computeResult();  // これはOK
    //  example/term_explanation/attr_ut.cpp 54

    switch (value) {
    case 1:
        // do something
        [[fallthrough]];  // 明示的に fallthrough を宣言することができる
    case 2:
        // do something
        break;
    default:
        break;
    }

関数tryブロック

関数tryブロックとはtry-catchを本体とした下記のような関数のブロックを指す。

    //  example/term_explanation/func_try_block.cpp 8

    void function_try_block()
    try {  // 関数tryブロック
        // 何らかの処理
        ...
    }
    catch (std::length_error const& e) {  // 関数tryブロックのエクセプションハンドラ
        ...
    }
    catch (std::logic_error const& e) {  // 関数tryブロックのエクセプションハンドラ
        ...
    }

範囲for文

範囲for文は、

    for ( for-range-declaration : for-range-initializer ) statement

このような形式で表され、C++17までは下記のような疑似コードに展開される。

    {
        auto && __range = for-range-initializer;
        for ( auto __begin = begin-expr, __end = end-expr; __begin != __end; ++__begin ) {
        for-range-declaration = *__begin;
        statement
      }
    }

単純な範囲for文の使用例は下記の通りである。

    //  example/term_explanation/range_for_ut.cpp 14

    auto list = std::list{1, 2, 3};
    auto oss  = std::stringstream{};

    for (auto a : list) {  // 範囲for文
        oss << a;
    }
    ASSERT_EQ(oss.str(), "123");

上記のコードは下記のように展開される。

    //  example/term_explanation/range_for_ut.cpp 26

    auto list = std::list{1, 2, 3};
    auto oss  = std::stringstream{};

    // std::begin(list)、std::end(list)の戻り型が同一
    static_assert(std::is_same_v<decltype(std::begin(list)), decltype(std::end(list))>);

    // 上記の範囲for文は下記のように展開される
    for (auto it = std::begin(list); it != std::end(list); ++it) {
        oss << *it;
    }

    ASSERT_EQ(oss.str(), "123");

C++17以前は、上記のコードのコメントにある通り、__begin__endが同一の型である前提であった。 C++17以降は、この規制が緩和されたため、以下のように展開されることになった。

    {
        auto && __range = for-range-initializer;
        auto __begin = begin-expr;
        auto __end = end-expr;     // C++17までは、__begin と __endは同一である前提
        for ( ; __begin != __end; ++__begin ) {
            for-range-declaration = *__begin;
            statement
        }
    }

この規制緩和により、以下のようなコードが範囲for文で記述できるようになった。 下記のコードはこの緩和ルールの応用例である。

    //  example/term_explanation/range_for_ut.cpp 73

    delimited_string<','> delimited_str{"Hello,World"};
    std::ostringstream    oss;

    // ',' を終了文字として "Hello" だけをループして出力
    for (auto c : delimited_str) {
        oss << c;
    }

    ASSERT_EQ("Hello", oss.str());  // 結果は "Hello" になるはず

上記のコードは下記のように展開される。

    //  example/term_explanation/range_for_ut.cpp 87

    delimited_string<','> delimited_str{"Hello,World"};
    std::ostringstream    oss;

    // ',' を終了文字として"Hello" だけをループして出力
    for (auto it = delimited_str.begin(); it != delimited_str.end(); ++it) {
        oss << *it;
    }

    ASSERT_EQ("Hello", oss.str());  // 結果は "Hello" になるはず

構造化束縛

構造化束縛はC++17 から導入されたもので、std::tuppleやstd::pair、std::arrayなど、 構造体のメンバーを個別の変数に分解して簡潔に扱うことをできるようにするための機能である。

    //  example/term_explanation/structured_binding_ut.cpp 13

        // tupleでの構造化束縛の例
        std::tuple<int, double, std::string> tobj(1, 2.5, "Hello");

        auto [i, d, s] = tobj;  // 構造化束縛を使用してタプルを分解

        ASSERT_EQ(i, 1);
        ASSERT_DOUBLE_EQ(d, 2.5);
        ASSERT_EQ("Hello", s);
    //  example/term_explanation/structured_binding_ut.cpp 28

        // pairでの構造化束縛の例
        std::pair<int, std::string> pobj(42, "example");

        auto [i, s] = pobj;  // 構造化束縛を使用してペアを分解

        ASSERT_EQ(i, 42);
        ASSERT_EQ("example", s);
    //  example/term_explanation/structured_binding_ut.cpp 42

        struct Person {
            std::string name;
            int         age;
        };

        Person person{"Ichiro", 30};  // 構造体のインスタンス

        auto& [name, age] = person;  // 構造化束縛を使用して構造体のメンバーを分解

        static_assert(std::is_same_v<decltype(name), std::string>);  // これは正しい
        // static_assert(std::is_same_v<decltype(name), std::string&>); これはコンパイルエラー
        // 上記がコンパイルエラーになる理由は以下の通り。
        //
        // 変数宣言は、 autoを記述したあとに角カッコ内に変数名を列挙する。
        // それぞれの変数に対する型や修飾子の指定はできない。
        // autoの部分を const auto&のように、全体に対してCV修飾や参照を付加することはできる。
        // それぞれの変数の型は、各要素をdecltypeしたものとなる。
        //                        ^^^^^^^^^^^^^^ nameの型がstd::stringと評価された理由

        name = "Taro";  // nameはリファレンス
        age  = 56;      // ageはリファレンス
        ASSERT_EQ(person.name, "Taro");
        ASSERT_EQ(person.age, 56);
    //  example/term_explanation/structured_binding_ut.cpp 72

        auto array = std::array<int, 3>{1, 2, 3};

        auto [x, y, z] = array;  // 構造化束縛を使って std::array の要素を分解

        ASSERT_EQ(x, 1);
        ASSERT_EQ(y, 2);
        ASSERT_EQ(z, 3);

初期化付きif/switch文

C++17で、if文とswitc文に初期化を行う構文が導入された。 これにより、変数をそのスコープ内で初期化し、その変数を条件式の評価に使用できる。 初期化された変数は、if文やswitch文のスコープ内でのみ有効であり、他のスコープには影響を与えない。

この構文は、従来のfor文で使用されていた初期化ステートメントを、if/switch文に拡張したものである。 この類似性が理解しやすいように、本節では、 敢えて以下のコード例で同じ関数、同じクラスを使用し、 対比できるようにした。

初期化付きfor文(従来のfor文)

下記の疑似コードは従来のfor文の構造を表す。

    for (init-statement; condition; post-statement) {
        // ループ処理
    }

上記のと同様の実際のfor文のコードを以下に示す。

    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 8

    class OperationResult {
    public:
        enum class ErrorCode { NoError, ErrorPattern1, ErrorPattern2, ErrorPattern3 };
        bool      IsError() const noexcept;
        ErrorCode Get() const noexcept;
                  operator bool() const noexcept { return IsError(); }

    private:
        // 何らかの定義
    };

    OperationResult DoOperation();                                 // 何らかの処理
    void            RecoverOperation(OperationResult::ErrorCode);  // リカバリ処理
    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 36

    for (auto result = DoOperation(); result.IsError(); result = DoOperation()) {
        RecoverOperation(result.Get());  // エラー処理
    }

    // 以下、成功時の処理

初期化付きwhile文(従来のwhile文)

下記の疑似コードこの節で説明しようとしているwhile文の構造を表す(従来からのwhile文)。

    while (type-specifier-seq declarator) {
        // 条件がtrueの場合の処理
    }

初期化付きif文/初期化付きswitch文はC++17から導入されたシンタックスであるが、 それと同様のシンタックスはwhileには存在しないが、 以下のコード例のように従来の記法は広く知られているため、念とため紹介する。

    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 48

    while (auto result = DoOperation()) {  // resultはboolへの暗黙の型変換が行われる
        // エラー処理
    }
    // resultはスコープアウトする

初期化付きif文

下記の疑似コードこの節で説明しようとしているif文の構造を表す。

    if (init-statement; condition) {
        // 条件がtrueの場合の処理
    }

上記と同様の構造を持つ実際のif文のコードを以下に示す。

    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 8

    class OperationResult {
    public:
        enum class ErrorCode { NoError, ErrorPattern1, ErrorPattern2, ErrorPattern3 };
        bool      IsError() const noexcept;
        ErrorCode Get() const noexcept;
                  operator bool() const noexcept { return IsError(); }

    private:
        // 何らかの定義
    };

    OperationResult DoOperation();                                 // 何らかの処理
    void            RecoverOperation(OperationResult::ErrorCode);  // リカバリ処理
    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 59

    if (auto result = DoOperation(); !result.IsError()) {
        // 成功処理
    }
    else {
        RecoverOperation(result.Get());  // エラー処理
    }
    // resultはスコープアウトする

クラスの独自の<=>演算子を定義する場合、下記のように使用することができる。

    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 72

    struct DoubleName {
        std::string name0;
        std::string name1;
        friend bool operator==(DoubleName const& lhs, DoubleName const& rhs) noexcept = default;
    };

    inline auto operator<=>(DoubleName const& lhs, DoubleName const& rhs) noexcept
    {
        // name0 を比較し、等しくなければその比較結果を返す
        if (auto cmp = lhs.name0 <=> rhs.name0; cmp != 0) {
            return cmp;
        }

        return lhs.name1 <=> rhs.name1;  // name0が等しければ name1を比較
    }

初期化付きswitch文

下記の疑似コードはこの節で説明しようとしているswitch文の構造を表す。

    switch (init-statement; condition) {
        case value1:
            // 条件が value1 の場合の処理
            break;
        case value2:
            // 条件が value2 の場合の処理
            break;
        // その他のケース
    }

上記と同様の構造を持つ実際のswitch文のコードを以下に示す。

    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 8

    class OperationResult {
    public:
        enum class ErrorCode { NoError, ErrorPattern1, ErrorPattern2, ErrorPattern3 };
        bool      IsError() const noexcept;
        ErrorCode Get() const noexcept;
                  operator bool() const noexcept { return IsError(); }

    private:
        // 何らかの定義
    };

    OperationResult DoOperation();                                 // 何らかの処理
    void            RecoverOperation(OperationResult::ErrorCode);  // リカバリ処理
    //  example/term_explanation/if_switch_init_ut.cpp 103

    switch (auto result = DoOperation(); result.Get()) {
    case OperationResult::ErrorCode::ErrorPattern1:
        RecoverOperation(result.Get());  // エラー処理
        break;
        // エラー処理のいくつかのパターン
    case OperationResult::ErrorCode::NoError:
        // 成功処理
    default:
        assert(false);  // ここには来ないはず
    }
    // resultはスコープアウトする

言語機能

コルーチン

コルーチンはC++20から導入された機能であり、以下の新しいキーワードによりサポートされる。

co_await

co_awaitはコルーチンの非同期操作の一時停止と再開に使用される。 co_waitとco_returnを使用したコードを以下に示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_await_ut.cpp 12

    class Task {  // コルーチンが返す型
    public:
        /// @struct promise_type
        /// @brief コルーチンのライフサイクルを管理する構造体
        struct promise_type {
            /// @brief コルーチンから Task 型のオブジェクトを返す関数
            /// @return Taskオブジェクト
            Task get_return_object()
            {
                return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
            }

            /// @brief コルーチンの最初のサスペンドポイント
            /// @return 常にサスペンドするオブジェクトを返す
            std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }

            /// @brief コルーチンの最後のサスペンドポイント
            /// @return 常にサスペンドするオブジェクトを返す
            std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }

            /// @brief コルーチン内で例外が発生した場合に呼び出される
            /// @details コルーチン内で未処理の例外が発生した場合に、プロセスを終了する
            void unhandled_exception() { std::exit(1); }

            /// @brief コルーチンが終了した際に呼び出される
            /// @details co_return で値が返されない場合に呼び出されるが、何も行わない
            void return_void() {}
        };

        /// @brief Task のコンストラクタ
        /// @param h コルーチンハンドル
        Task(std::coroutine_handle<promise_type> h) : coro{h} {}

        /// @brief コルーチンの呼び出し回数に基づいた文字列を返す
        /// @return 呼び出し回数に応じた "call X" という文字列
        std::string get_value() { return "call " + std::to_string(called); }

        /// @brief コルーチンを再開する
        /// @details コルーチンが終了していなければ再開し、呼び出し回数をカウントする
        /// @return コルーチンが完了していなければ true、完了していれば false
        bool resume()
        {
            ++called;                 // コルーチンを呼び出した回数をカウント
            if (!coro.done()) {       // コルーチンが完了していなければ
                coro.resume();        // 再開
                return !coro.done();  // 再開後も完了していなければ true を返す
            }
            return false;  // すでに完了している場合は false を返す
        }

        /// @brief Task のデストラクタ
        /// @details コルーチンハンドルが有効であれば破棄する
        ~Task()
        {
            if (coro) coro.destroy();
        }

    private:
        std::coroutine_handle<promise_type> coro;        ///< コルーチンハンドル
        uint32_t                            called = 0;  ///< コルーチンが再開された回数
    };

    /// @brief コルーチンを生成する関数
    /// @return Taskオブジェクト
    Task gen_coroutine()
    {
        co_await std::suspend_always{};  // 最初のサスペンドポイント
        co_await std::suspend_always{};  // 2回目のサスペンドポイント
        co_return;                       // コルーチン終了
    }

以下単体テストコードによりに上記コルーチンの動作を示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_await_ut.cpp 88

    Task    task  = gen_coroutine();  // gen_coroutine から Task オブジェクトを生成
    int32_t calls = 0;

    /// @test コルーチンを resume() で再開し、完了するまでループする
    while (task.resume()) {  // コルーチンが完了していない間、再開
        switch (calls) {
        case 0:
            /// @test コルーチンが1回目の再開後、"call 1" が返されることを確認
            ASSERT_EQ("call 1", task.get_value());
            break;
        case 1:
            /// @test コルーチンが2回目の再開後、"call 2" が返されることを確認
            ASSERT_EQ("call 2", task.get_value());
            break;
        case 2:
            /// @test コルーチンが3回目の再開後、"call 3" が返されることを確認
            ASSERT_EQ("call 3", task.get_value());
            break;
        }
        ++calls;
    }

    /// @test コルーチンが 2 回 resume された後に終了していることを確認
    ASSERT_EQ(2, calls);

上記のコルーチンと同じ機能を持つクラスのco_await/co_returnを使わない実装を以下に示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_await_ut.cpp 118

    /// @enum CoroutineState
    /// @brief ManualCoroutine の状態を表す enum 型
    enum class CoroutineState {
        Start,             ///< コルーチンが開始された状態
        FirstSuspension,   ///< コルーチンが最初にサスペンドされた状態
        SecondSuspension,  ///< コルーチンが2回目にサスペンドされた状態
        Finished           ///< コルーチンが完了した状態
    };

    /// @brief コルーチンの状態を保持し、進行を管理するためのクラス
    class ManualCoroutine {
    public:
        /// @brief コルーチンの代わりに状態を進行させる関数
        /// @details コルーチンの状態に基づいて進行し、コルーチンのように振る舞う
        /// @return コルーチンが継続可能なら true、終了していれば false を返す
        bool resume()
        {
            ++called;  // コルーチンの再開回数をカウント
            switch (state) {
            case CoroutineState::Start:
                state = CoroutineState::FirstSuspension;
                return true;  // 継続可能

            case CoroutineState::FirstSuspension:
                state = CoroutineState::SecondSuspension;
                return true;  // 継続可能

            case CoroutineState::SecondSuspension:
                state = CoroutineState::Finished;
                return false;  // 終了

            case CoroutineState::Finished:
                return false;  // 既に終了している
            }
            assert(false);  // 不正な状態(理論的には到達しないはず)
            return false;
        }

        /// @brief 呼び出し回数に基づいた文字列を返す
        /// @return "call X" という形式の文字列(X は呼び出し回数)
        std::string get_value() { return "call " + std::to_string(called); }

    private:
        uint32_t       called = 0;                      ///< コルーチンが再開された回数
        CoroutineState state  = CoroutineState::Start;  ///< 現在のコルーチンの状態
    };

このクラスは当然ながら、前記のコルーチンの単体テストコードとほぼ同じになる。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_await_ut.cpp 170

    auto    manual_coroutine = ManualCoroutine{};
    int32_t calls            = 0;

    while (manual_coroutine.resume()) {  // コルーチンを再開する
        switch (calls) {
        case 0:
            /// @test 1回目の再開後に "call 1" が返されることを確認
            ASSERT_EQ("call 1", manual_coroutine.get_value());
            break;
        case 1:
            /// @test 2回目の再開後に "call 2" が返されることを確認
            ASSERT_EQ("call 2", manual_coroutine.get_value());
            break;
        case 2:
            /// @test 3回目の再開後に "call 3" が返されることを確認
            ASSERT_EQ("call 3", manual_coroutine.get_value());
            break;
        }
        ++calls;  ///< コルーチンの再開回数をインクリメント
    }

    /// @test コルーチンが2回 resume された後に終了していることを確認
    ASSERT_EQ(2, calls);

C++20から導入されたco_await、co_return、TaskとC++17以前の機能のみを使用したコードの対比によって、 コルーチンのサポート機能により実装が容易になることが理解できるだろう。

co_return

co_returnはコルーチンの終了時に値を返すために使用される。 co_returnは通常co_awaitと同時に使われることが多い。

co_yield

co_yieldはコルーチンから値を返しつつ、 次の再開ポイントまで処理を中断する。これはジェネレーターの実装に便利である。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_yield_ut.cpp 12

    template <typename T>
    class Generator {
    public:
        Generator(Generator&& other) noexcept : coro{std::move(other.coro)} { other.coro = nullptr; }

        Generator& operator=(Generator&& other) noexcept
        {
            if (this != &other) {
                coro       = other.coro;
                other.coro = nullptr;
            }
            return *this;
        }

        /// @struct promise_type
        /// @brief コルーチンのライフサイクルを管理する構造体
        struct promise_type {
            T current_value;

            /// @brief コルーチンから Generator 型のオブジェクトを返す関数
            /// @return Generatorオブジェクト
            Generator get_return_object()
            {
                return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
            }

            /// @brief コルーチンの最初のサスペンドポイント
            /// @return 常にサスペンドするオブジェクトを返す
            std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }

            /// @brief コルーチンの最後のサスペンドポイント
            /// @return 常にサスペンドするオブジェクトを返す
            std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }

            /// @brief コルーチンで値を生成するためのサスペンドポイント
            /// @param value 生成された値
            /// @return 常にサスペンドするオブジェクトを返す
            std::suspend_always yield_value(T value)
            {
                current_value = value;
                return {};
            }

            /// @brief コルーチン内で例外が発生した場合に呼び出される
            void unhandled_exception() { std::exit(1); }

            /// @brief コルーチンの終了時に呼び出される
            void return_void() {}
        };

        /// @brief コルーチンを再開し、次の値を生成する
        /// @return 次の値が生成された場合は true、終了した場合は false
        bool move_next()
        {
            if (coro && !coro.done()) {
                coro.resume();
                return !coro.done();
            }
            return false;
        }

        /// @brief 現在の値を取得する
        /// @return 現在の値
        T current_value() const { return coro.promise().current_value; }

        /// @brief Generator のコンストラクタ
        /// @param h コルーチンハンドル
        Generator(std::coroutine_handle<promise_type> h) : coro(h) {}

        /// @brief Generator のデストラクタ
        /// @details コルーチンハンドルが有効であれば破棄する
        ~Generator()
        {
            if (coro) coro.destroy();
        }

    private:
        std::coroutine_handle<promise_type> coro;
    };

    /// @brief 偶数のみをフィルタリングする
    /// @param input フィルタ対象の Generator
    /// @return フィルタ後の Generator
    Generator<int> filter_even(Generator<int> input)
    {
        while (input.move_next()) {
            if (input.current_value() % 2 == 0) {
                co_yield input.current_value();
            }
        }
    }

    /// @brief 値を2倍に変換する
    /// @param input 変換対象の Generator
    /// @return 変換後の Generator
    Generator<int> double_values(Generator<int> input)
    {
        while (input.move_next()) {
            co_yield input.current_value() * 2;
        }
    }

    /// @brief 数値の範囲を生成する
    /// @param start 開始値
    /// @param end 終了値
    /// @return 範囲内の数値を生成する Generator
    Generator<int> generate_numbers(int start, int end)
    {
        for (int i = start; i <= end; ++i) {
            co_yield i;
        }
    }

このテストを以下に示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_yield_ut.cpp 130

    // 数値を生成し、それをパイプライン処理に通す
    auto numbers         = generate_numbers(1, 10);
    auto even_numbers    = filter_even(std::move(numbers));
    auto doubled_numbers = double_values(std::move(even_numbers));

    // 結果を検証するために期待される値の配列を準備
    std::vector<int> expected_values = {4, 8, 12, 16, 20};

    // 生成された値を順に取得し、期待される値と比較
    size_t index = 0;
    while (doubled_numbers.move_next()) {
        ASSERT_LT(index, expected_values.size());  // インデックスが範囲内か確認
        EXPECT_EQ(doubled_numbers.current_value(), expected_values[index]);
        ++index;
    }

    // 最終的にすべての期待される値が生成されたことを確認
    EXPECT_EQ(index, expected_values.size());

co_await、co_returnの例でみたように、 co_yieldを使用したコルーチンと同じ機能を持つクラスのco_yieldを使わない実装を以下に示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_yield_ut.cpp 155

    /// @brief コルーチンを使わずにデータを逐次的に提供するジェネレータークラス
    template <typename T>
    class Generator {
    public:
        /// @brief コンストラクタ
        /// @param data 生成対象のデータ
        Generator(std::vector<T>&& data) : data_(std::move(data)), current_index_(0) {}

        /// @brief 次の値があるかを確認し、次の値に進む
        /// @return 次の値が存在する場合は true、存在しない場合は false
        bool move_next()
        {
            if (current_index_ < data_.size()) {
                ++current_index_;
                return true;
            }
            return false;
        }

        /// @brief 現在の値を取得する
        /// @return 現在の値
        T current_value() const
        {
            if (current_index_ > 0 && current_index_ <= data_.size()) {
                return data_[current_index_ - 1];
            }
            throw std::out_of_range("Invalid current value access");
        }

    private:
        std::vector<T> data_;           ///< データを保持
        size_t         current_index_;  ///< 現在のインデックス
    };

    /// @brief 偶数のみをフィルタリングする
    /// @param input フィルタ対象の Generator
    /// @return フィルタ後の Generator
    Generator<int> filter_even(const Generator<int>& input)
    {
        std::vector<int> filtered;
        auto             gen = input;

        while (gen.move_next()) {
            if (gen.current_value() % 2 == 0) {
                filtered.push_back(gen.current_value());
            }
        }
        return Generator<int>(std::move(filtered));
    }

    /// @brief 値を2倍に変換する
    /// @param input 変換対象の Generator
    /// @return 変換後の Generator
    Generator<int> double_values(const Generator<int>& input)
    {
        std::vector<int> doubled;
        auto             gen = input;

        while (gen.move_next()) {
            doubled.push_back(gen.current_value() * 2);
        }
        return Generator<int>(std::move(doubled));
    }

    /// @brief 数値の範囲を生成する
    /// @param start 開始値
    /// @param end 終了値
    /// @return 範囲内の数値を生成する Generator
    Generator<int> generate_numbers(int start, int end)
    {
        std::vector<int> numbers;
        for (int i = start; i <= end; ++i) {
            numbers.push_back(i);
        }
        return Generator<int>(std::move(numbers));
    }

このクラスは当然ながら、前記のコルーチンの単体テストコードとほぼ同じになる。

    //  example/term_explanation_cpp20/co_yield_ut.cpp 237

    // 数値を生成し、それをパイプライン処理に通す
    auto numbers         = generate_numbers(1, 10);
    auto even_numbers    = filter_even(std::move(numbers));
    auto doubled_numbers = double_values(std::move(even_numbers));

    // 結果を検証するために期待される値の配列を準備
    std::vector<int> expected_values = {4, 8, 12, 16, 20};

    // 生成された値を順に取得し、期待される値と比較
    size_t index = 0;
    while (doubled_numbers.move_next()) {
        ASSERT_LT(index, expected_values.size());  // インデックスが範囲内か確認
        EXPECT_EQ(doubled_numbers.current_value(), expected_values[index]);
        ++index;
    }

    // 最終的にすべての期待される値が生成されたことを確認
    EXPECT_EQ(index, expected_values.size());

C++20から導入されたco_await、co_return、TaskとC++17以前の機能のみを使用したコードの対比によって、 コルーチンのサポート機能により実装が容易になることが理解できるだろう。

モジュール

モジュールはC++20から導入された機能であり、以下の新しいキーワードによりサポートされる。

以下にこれらのキーワードのコード例を示す。

まずは、同時に使われることが多いmoduleexportの使用例を示す。

    //  example/module_cmake/type_traits.cppm 1

    export module type_traits;  // モジュール宣言

    namespace type_traits {  // 通常の名前空間。モジュール名と同じにして良い
    namespace Inner_ {       // 内部実装であるためexportしない

    // T == void
    template <typename T>
    constexpr auto is_void_sfinae_f_detector(void const* v, T const* t) noexcept
        -> decltype(t = v, bool{})  // T != voidの場合、t = vはill-formed
                                    // T == voidの場合、well-formedでbool型生成
    {
        return true;
    }

    // T != void
    template <typename T>
    constexpr auto is_void_sfinae_f_detector(void const*, T const*) noexcept
        -> decltype(sizeof(T), bool{})  // T != voidの場合、well-formedでbool型生成
                                        // T == voidの場合、sizeof(T)はill-formed
    {
        return false;
    }
    }  // namespace Inner_

    export
    {  // 纏めてexport
        template <typename T>
        constexpr bool is_void() noexcept
        {
            return Inner_::is_void_sfinae_f_detector(nullptr, static_cast<T*>(nullptr));
        }
        template <typename T>
        bool is_void_v = is_void<T>();
    }
    }  // namespace type_traits

最後にimportの使用例を示す。

    //  example/module_cmake/main.cpp 1

    import math;        // モジュールのインポート
    import type_traits; // モジュールのインポート

    #include <iostream>  // これまで同様のインクルード。stdのモジュール化はC++23から

    void f(int a, int b)
    {
        std::cout << "Add: " << math::add(a, b) << std::endl;
        std::cout << "Multiply: " << math::multiply(a, b) << std::endl;

        std::cout << std::boolalpha << type_traits::is_void<void>() << std::endl;
        std::cout << std::boolalpha << type_traits::is_void_v<decltype(a)> << std::endl;
    }

これらにより、モジュールは依存関係の管理、名前空間の分離、ビルド時間の短縮を実現し、 大規模プロジェクトでの保守性向上に貢献する。 が、一方ではC++のモジュールに対応してるビルドツールを使用することが望ましい。

ラムダ式

ラムダ式に関する言葉の定義と例を示す。

    //  example/term_explanation/lambda.cpp 10

    auto a = 0;

    // closureがクロージャ。それを初期化する式がラムダ式
    // [a = a]がキャプチャ
    // [a = a]内の右辺aは上記で定義されたa
    // [a = a]内の左辺aは右辺aで初期化された変数。ラムダ式内で使用されるaは左辺a。
    auto closure = [a = a](int32_t b) noexcept { return a + b; };

    auto ret = closure(3);  // クロージャの実行

    // g_closureはジェネリックラムダ
    auto g_closure = [](auto t0, auto t1) { return t0 + t1; };

    auto i = g_closure(1, 2);                                // t0、t1はint
    auto s = g_closure(std::string{"1"}, std::string{"2"});  // t0、t1はstd::string

クロージャ

ラムダ式」を参照せよ。

クロージャ型

ラムダ式」を参照せよ。

一時的ラムダ

一時的ラムダ(transient lambda)とは下記のような使い方をするラムダ式指す慣用用語である。

複雑な初期化を必要とするconstオブジェクトの生成をするような場合に有用なテクニックである。

    //  example/term_explanation/transient_lambda_ut.cpp 9

    std::vector<int> vec{1, 2, 3};

    // ラムダ式を即時実行するために () を追加
    auto const vec_act = [&vec = vec]() {
        using arg_type = std::remove_reference_t<decltype(vec)>;
        arg_type temp;
        for (auto val : vec) {
            temp.push_back(val * 2);
        }
        return temp;  // 変更後のベクターを返す
    }();

    std::vector<int> const vec_exp{2, 4, 6};

    ASSERT_EQ(vec_act, vec_exp);

transient lambda

一時的ラムダ」を参照せよ。

指示付き初期化

指示付き初期化(designated initialization)とは、C++20から導入されたシンタックスであり、 構造体やクラスのメンバを明示的に指定して初期化できるようにする機能である。 この構文により、コードの可読性と安全性が向上し、初期化漏れや順序の誤りを防ぐことができる。

まずは、この機能を有効に使えるクラス例を以下に示す。

    //  example/term_explanation_cpp20/designated_init_ut.cpp 11

    struct Point {
        int  x;
        int  y;
        bool operator==(Point const& rhs) const noexcept = default;
    };

    class Circl {
    public:
        Circl(Point center, uint32_t radius) : center_{center}, radius_{radius} {}

        std::string to_string()
        {
            std::ostringstream oss;

            oss << "center x:" << center_.x << " y:" << center_.y << " radius:" << radius_;
            return oss.str();
        }

        bool operator==(Circl const& rhs) const noexcept = default;

    private:
        Point const center_;
        uint32_t    radius_;
    };
    //  example/term_explanation_cpp20/designated_init_ut.cpp 41

    struct Point p0 {
        10, 20
    };
    struct Point p1 {
        .x = 10, .y = 20
    };  // x、yを明示できるため、可読性向上が見込める

    ASSERT_EQ(p0, p1);

    Circl circl_0{p1, 2U};
    ASSERT_EQ("center x:10 y:20 radius:2", circl_0.to_string());

    Circl circl_1{{10, 20}, 2U};  // circl_2に比べると可読性に劣る
    ASSERT_EQ("center x:10 y:20 radius:2", circl_1.to_string());

    Circl circl_2{{.x = 10, .y = 20}, 2U};  // x、yを明示できるため、可読性向上が見込める
    ASSERT_EQ("center x:10 y:20 radius:2", circl_2.to_string());

    ASSERT_EQ(circl_1, circl_2);

下記に示すように、Polymorphic Memory Resource(pmr)のpool_resourceの初期化には、 この機能を使うと可読性の改善が期待できる。

    //  example/term_explanation_cpp20/designated_init_ut.cpp 68

    std::pmr::unsynchronized_pool_resource pool_resource(
        std::pmr::pool_options{
            .max_blocks_per_chunk        = 10,  // チャンクあたりの最大ブロック数
            .largest_required_pool_block = 1024  // 最大ブロックサイズ
        },
        std::pmr::new_delete_resource()  // フォールバックリソース
    );

    std::pmr::vector<int> vec{&pool_resource};  // pmrを使用するベクタの定義

指示付き初期化を使わない以下のコード例と上記を比べれば可読性の改善に議論の余地はないだろう。

    //  example/term_explanation_cpp20/designated_init_ut.cpp 83

    // 指示付き初期化を使わずにstd::pmr::unsynchronized_pool_resourceの初期化
    std::pmr::unsynchronized_pool_resource pool_resource(
        std::pmr::pool_options{
            10,   // チャンクあたりの最大ブロック数
            1024  // 最大ブロックサイズ
        },
        std::pmr::new_delete_resource()  // フォールバックリソース
    );

    std::pmr::vector<int> vec{&pool_resource};  // pmrを使用するベクタの定義

プログラミング概念と標準ライブラリ

スマートポインタ

スマートポインタは、C++標準ライブラリが提供するメモリ管理クラス群を指す。 生のポインタの代わりに使用され、リソース管理を容易にし、 メモリリークや二重解放といった問題を防ぐことを目的としている。

スマートポインタは通常、所有権とスコープに基づいてメモリの解放を自動的に行う。 C++標準ライブラリでは、主に以下の3種類のスマートポインタが提供されている。

コンテナ

データを格納し、 効率的に操作するための汎用的なデータ構造を提供するC++標準ライブラリの下記のようなクラス群である。

シーケンスコンテナ(Sequence Containers)

データが挿入順に保持され、順序が重要な場合に使用する。

コンテナ 説明
std::vector 動的な配列で、ランダムアクセスが高速。末尾への挿入/削除が効率的
std::deque 両端に効率的な挿入/削除が可能な動的配列
std::list 双方向リスト。要素の順序を維持し、中間の挿入/削除が効率的
std::forward_list 単方向リスト。軽量だが、双方向の操作はできない
std::array 固定長配列で、サイズがコンパイル時に決まる
std::string 可変長の文字列を管理するクラス(厳密にはstd::basic_stringの特殊化)
std::forward_list
    //  example/term_explanation/cotainer_ut.cpp 14

    std::forward_list<int> fl{1, 2, 3};

    // 要素の挿入
    EXPECT_EQ(fl.front(), 1);
    fl.push_front(0);
    EXPECT_EQ(fl.front(), 0);

    auto it = fl.begin();
    EXPECT_EQ(*++it, 1);
    EXPECT_EQ(*++it, 2);
    EXPECT_EQ(*++it, 3);

連想コンテナ(Associative Containers)

データがキーに基づいて自動的にソートされ、検索が高速である。

コンテナ 説明
std::set 要素がソートされ、重複が許されない集合
std::multiset ソートされるが、重複が許される集合
std::map ソートされたキーと値のペアを保持。キーは一意
std::multimap ソートされたキーと値のペアを保持。キーは重複可能

無順序連想コンテナ(Unordered Associative Containers)

ハッシュテーブルを基盤としたコンテナで、順序を保証しないが高速な検索を提供する。

コンテナ 説明
std::unordered_set ハッシュテーブルベースの集合。重複は許されない
std::unordered_multiset ハッシュテーブルベースの集合。重複が許される
std::unordered_map ハッシュテーブルベースのキーと値のペア。キーは一意
std::unordered_multimap ハッシュテーブルベースのキーと値のペア。キーは重複可能
std::type_index 型情報型を連想コンテナのキーとして使用するためのクラス
std::unordered_set
    //  example/term_explanation/cotainer_ut.cpp 32

    std::unordered_set<int> uset{1, 2, 3};

    // 要素の挿入
    uset.insert(4);
    uset.insert(5);

    // 存在確認
    EXPECT_NE(uset.find(1), uset.end());
    EXPECT_NE(uset.find(4), uset.end());
    EXPECT_EQ(uset.find(6), uset.end());

    // サイズの確認
    EXPECT_EQ(uset.size(), 5);
std::unordered_map
    //  example/term_explanation/cotainer_ut.cpp 52

    std::unordered_map<int, std::string> umap;

    // 要素の挿入
    umap[1] = "one";
    umap[2] = "two";
    umap[3] = "three";

    // 要素の確認
    EXPECT_EQ(umap[1], "one");
    EXPECT_EQ(umap[2], "two");
    EXPECT_EQ(umap[3], "three");

    // 存在確認
    EXPECT_NE(umap.find(1), umap.end());
    EXPECT_EQ(umap.find(4), umap.end());
std::type_index

std::type_indexはコンテナではないが、 型情報型を連想コンテナのキーとして使用するためのクラスであるため、この場所に掲載する。

    //  example/term_explanation/cotainer_ut.cpp 74

    std::unordered_map<std::type_index, std::string> type_map;

    // std::type_indexを使って型をキーとしてマッピング
    type_map[typeid(int)]         = "int";
    type_map[typeid(double)]      = "double";
    type_map[typeid(std::string)] = "string";

    // マッピングの確認
    EXPECT_EQ(type_map[typeid(int)], "int");
    EXPECT_EQ(type_map[typeid(double)], "double");
    EXPECT_EQ(type_map[typeid(std::string)], "string");

    // 存在しない型の確認
    EXPECT_EQ(type_map.find(typeid(float)), type_map.end());

コンテナアダプタ(Container Adapters)

特定の操作のみを公開するためのラッパーコンテナ。

コンテナ 説明
std::stack LIFO(後入れ先出し)操作を提供するアダプタ
std::queue FIFO(先入れ先出し)操作を提供するアダプタ
std::priority_queue 優先度に基づく操作を提供するアダプタ

特殊なコンテナ

上記したようなコンテナとは一線を画すが、特定の用途や目的のために設計された一種のコンテナ。

コンテナ 説明
std::span 生ポインタや配列を抽象化し、安全に操作するための軽量ビュー
std::bitset 固定長のビット集合を管理するクラス
std::basic_string カスタム文字型をサポートする文字列コンテナ

std::optional

C++17から導入されたstd::optionalには、以下のような2つの用途がある。 以下の用途2から、 このクラスがオブジェクトのダイナミックなメモリアロケーションを行うような印象を受けるが、 そのようなことは行わない。 このクラスがオブジェクトのダイナミックな生成が必要になった場合、プレースメントnewを実行する。 ただし、std::optionalが保持する型自身がnewを実行する場合は、この限りではない。

  1. 関数の任意の型の戻り値の無効表現を持たせる
  2. オブジェクトの遅延初期化する(初期化処理が重く、 条件によってはそれが無駄になる場合にこの機能を使う)

戻り値の無効表現

    //  example/term_explanation/optional_ut.cpp 11

    /// @brief 指定されたファイル名から拡張子を取得する。
    /// @param filename ファイル名(パスを含む場合も可)
    /// @return 拡張子を文字列として返す。拡張子がない場合は std::nullopt を返す。
    std::optional<std::string> file_extension(std::string const& filename)
    {
        size_t pos = filename.rfind('.');
        if (pos == std::string::npos || pos == filename.length() - 1) {
            return std::nullopt;  // 値が存在しない
        }
        return filename.substr(pos + 1);
    }
    //  example/term_explanation/optional_ut.cpp 28

    auto ret0 = file_extension("xxx.yyy");

    ASSERT_TRUE(ret0);  // 値を保持している
    ASSERT_EQ("yyy", *ret0);

    auto ret1 = file_extension("xxx");

    ASSERT_FALSE(ret1);  // 値を保持していない
    // ASSERT_THROW(*ret1, std::exception);  // 未定義動作(エクセプションは発生しない)
    ASSERT_THROW(ret1.value(), std::bad_optional_access);  // 値非保持の場合、エクセプション発生

オブジェクトの遅延初期化

    //  example/term_explanation/optional_ut.cpp 43

    class HeavyResource {
    public:
        HeavyResource() : large_erea_{0xdeadbeaf}
        {  // large_erea_[0]を44にする
            initialied = true;
        }
        bool     is_ready() const noexcept { return large_erea_[0] == 0xdeadbeaf; }
        uint32_t operator[](size_t index) const noexcept { return large_erea_[index]; }

        static bool initialied;

    private:
        uint32_t large_erea_[1024];
    };
    bool HeavyResource::initialied;
    //  example/term_explanation/optional_ut.cpp 64

    std::optional<HeavyResource> resource;

    // resourceの内部のHeavyResourceは未初期化
    ASSERT_FALSE(resource.has_value());
    ASSERT_FALSE(HeavyResource::initialied);
    ASSERT_NE(0xdeadbeaf, (*resource)[0]);  // 未定義動作

    // resourceの内部のHeavyResourceの遅延初期化
    resource.emplace();  // std::optionalの内部でplacement newが実行される

    // ここから下は定義動作
    ASSERT_TRUE(HeavyResource::initialied);  // resourceの内部のHeavyResourceは初期化済み
    ASSERT_TRUE(resource.has_value());

    ASSERT_TRUE(resource->is_ready());
    ASSERT_EQ(0xdeadbeaf, (*resource)[0]);

std::variant

std::variantは、C++17で導入された型安全なunionである。 このクラスは複数の型のうち1つの値を保持することができ、 従来のunionに伴う低レベルな操作の安全性の問題を解消するために設計された。

std::variant自身では、オブジェクトのダイナミックな生成が必要な場合でも通常のnewを実行せず、 代わりにプレースメントnewを用いる (以下のコード例のようにstd::variantが保持する型自身がnewを実行する場合は、この限りではない)。

以下にstd::variantの典型的な使用例を示す。

    //  example/term_explanation/variant_ut.cpp 13

    std::variant<int, std::string, double> var = 10;
    auto var2 = var;  // コピーコンストラクタの呼び出し

    ASSERT_EQ(std::get<int>(var), 10);  // 型intの値を取り出す

    // 型std::stringの値を取り出すが、その値は持っていないのでエクセプション発生
    ASSERT_THROW(std::get<std::string>(var), std::bad_variant_access);

    var = "variant";  // "variant"はstd::stringに変更され、varにムーブされる
    ASSERT_EQ(std::get<std::string>(var), "variant");

    ASSERT_NE(var, var2);  // 保持している値の型が違う

    var2.emplace<std::string>("variant");  // "variant"からvar2の値を直接生成するため、
                                           // 文字列代入より若干効率的
    ASSERT_EQ(var, var2);

    var = 1.0;
    ASSERT_FLOAT_EQ(std::get<2>(var), 1.0);  // 2番目の型の値を取得

std::variantとstd::visit(Visitorパターンの実装の一種)を組み合わせた場合の使用例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/variant_ut.cpp 37

    void output_from_variant(std::variant<int, double, std::string> const& var, std::ostringstream& oss)
    {
        std::visit([&oss](auto&& arg) { oss.str().empty() ? oss << arg : oss << "|" << arg; }, var);
    }
    //  example/term_explanation/variant_ut.cpp 47

    std::ostringstream                     oss;
    std::variant<int, double, std::string> var = 42;

    output_from_variant(var, oss);
    ASSERT_EQ("42", oss.str());

    var = 3.14;
    output_from_variant(var, oss);
    ASSERT_EQ("42|3.14", oss.str());

    var = "Hello, world!";
    output_from_variant(var, oss);
    ASSERT_EQ("42|3.14|Hello, world!", oss.str());

name lookupと名前空間

ここではname lookupとそれに影響を与える名前空間について解説する。

ルックアップ

このドキュメントでのルックアップとはname lookupを指す。

name lookup

name lookup とはソースコードで名前が検出された時に、その名前をその宣言と関連付けることである。 以下、name lookupの例を上げる。

下記のようなコードがあった場合、

    //  example/term_explanation/name_lookup_ut.cpp 5

    namespace NS_LU {
    int f() noexcept { return 0; }
    }  // namespace NS_LU

以下のコードでの関数呼び出しf()のname lookupは、

    //  example/term_explanation/name_lookup_ut.cpp 29

    NS_LU::f();
  1. NS_LUをその前方で宣言された名前空間と関連付けする
  2. f()呼び出しをその前方の名前空間NS_LUで宣言された関数fと関連付ける

という手順で行われる。

下記のようなコードがあった場合、

    //  example/term_explanation/name_lookup_ut.cpp 11

    namespace NS_LU {
    bool g(int i) noexcept { return i < 0; }

    char g(std::string_view str) noexcept { return str[0]; }

    template <typename T, size_t N>
    size_t g(T const (&)[N]) noexcept
    {
        return N;
    }

以下のコードでの関数呼び出しg()のname lookupは、

    //  example/term_explanation/name_lookup_ut.cpp 37
    int a[3]{1, 2, 3};
    NS_LU::g(a);
  1. NS_LUをその前方で宣言された名前空間と関連付けする
  2. 名前空間NS_LU内で宣言された複数のgを見つける
  3. g()呼び出しを、 すでに見つけたgの中からベストマッチしたg(T const (&)[N])と関連付ける

という手順で行われる。

下記記のようなコードがあった場合、

    //  example/term_explanation/name_lookup_ut.cpp 44

    // グローバル名前空間
    std::string ToString(int i) { return std::to_string(i) + " in Global"; }

    namespace NS_LU {
    struct X {
        int i;
    };

    std::string ToString(X const& x) { return std::to_string(x.i) + " in NS_LU"; }
    }  // namespace NS_LU

    namespace NS2 {
    std::string ToString(NS_LU::X const& x) { return std::to_string(x.i) + " in NS2"; }
    }  // namespace NS2

以下のコードでの関数呼び出しToString()のname lookupは、

    //  example/term_explanation/name_lookup_ut.cpp 65

    auto x = NS_LU::X{1};

    ASSERT_EQ("1 in NS_LU", ToString(x));
  1. ToString()呼び出しの引数xの型Xが名前空間NS_LUで定義されているため、 ToStringを探索する名前空間にNS_LUを組み入れる(「関連名前空間」参照)
  2. ToString()呼び出しより前方で宣言されたグローバル名前空間とNS_LUの中から、 複数のToStringの定義を見つける
  3. ToString()呼び出しを、 すでに見つけたToStringの中からベストマッチしたNS_LU::ToStringと関連付ける

という手順で行われる。

two phase name lookup

two phase name lookup とはテンプレートをインスタンス化するときに使用される、下記のような2段階でのname lookupである。

  1. テンプレート定義内でname lookupを行う(通常のname lookupと同じ)。 この時、テンプレートパラメータに依存した名前 (dependent_name)は name lookupの対象外となる(name lookupの対象が確定しないため)。
  2. 1の後、テンプレートパラメータを展開した関数内で、 関連名前空間の宣言も含めたname lookupを行う。

以下の議論では、

と呼ぶことにする。

下記のようなコードがあった場合、

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 5

    namespace NS_TPLU {
    struct X {
        int i;
    };
    }  // namespace NS_TPLU

    // グローバル名前空間
    inline std::string ToType(NS_TPLU::X const&) { return "X in global"; }
    inline std::string ToType(int const&) { return "int in global"; }

    // 再びNS_TPLU
    namespace NS_TPLU {

    std::string Header(long) { return "type:"; }  //  下記にもオーバーロードあり

    template <typename T>
    std::string ToType(T const&)  //  下記にもオーバーロードあり
    {
        return "unknown";
    }

    template <typename T>
    std::string TypeName(T const& t)  // オーバーロードなし
    {
        return Header(int{}) + ToType(t);
    }

    std::string Header(int) { return "TYPE:"; }  // 上記にもオーバーロードあり

    std::string ToType(X const&) { return "X"; }      // 上記にもオーバーロードあり
    std::string ToType(int const&) { return "int"; }  // 上記にもオーバーロードあり
    }  // namespace NS_TPLU

以下のコードでのTypeNameのインスタンス化に伴うname lookupは、

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 44

    auto x = NS_TPLU::X{1};

    ASSERT_EQ("type:X", TypeName(x));
  1. TypeName()呼び出しの引数xの型Xが名前空間NS_TPLUで宣言されているため、 NS_TPLUをTypeNameを探索する関連名前空間にする。
  2. TypeName()呼び出しより前方で宣言されたグローバル名前空間とNS_TPLUの中からTypeNameを見つける。
  3. TypeNameは関数テンプレートであるためtwo phase lookupが以下のように行われる。
    1. TypeName内でのHeader(int{})の呼び出しは、1st name lookupにより、 Header(long)の宣言と関連付けられる。 Header(int)はHeader(long)よりもマッチ率が高い、 TypeNameの定義より後方で宣言されているため、name lookupの対象外となる。
    2. TypeName内でのToType(t)の呼び出しに対しては、2nd name lookupが行われる。 このためTypeName定義より前方で宣言されたグローバル名前空間と、 tの型がNS_TPLU::Xであるため関連名前空間となったNS_TPLUがname lookupの対象となるが、 グローバル名前空間内のToTypeは、 NS_TPLU内でTypeNameより前に宣言されたtemplate<> ToTypeによってname-hidingが起こり、 TypeNameからは非可視となるためname lookupの対象から外れる。 このため、ToType(t)の呼び出しは、NS_TPLU::ToType(X const&)の宣言と関連付けられる。

という手順で行われる。

上と同じ定義、宣言がある場合の以下のコードでのTypeNameのインスタンス化に伴うname lookupは、

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 50

    ASSERT_EQ("type:unknown", NS_TPLU::TypeName(int{}));
  1. NS_TPLUを名前空間と関連付けする (引数の型がintなのでNS_TPLUは関連名前空間とならず、NS_TPLUを明示する必要がある)。
  2. TypeName()呼び出しより前方で宣言されたNS_TPLUの中からTypeNameを見つける。
  3. TypeNameは関数テンプレートであるためtwo phase lookupが以下のように行われる。
    1. TypeName内でのHeader(int{})の呼び出しは、1st name lookupにより、 前例と同じ理由で、Header(long)の宣言と関連付けられる。
    2. TypeName内でのToType(t)の呼び出しに対しては、2nd name lookupが行われる。 tの型がintであるためNS_TPLUは関連名前空間とならず、通常のname lookupと同様に ToType(t)の呼び出し前方のグローバル名前空間とNS_TPLUがname lookupの対象になるが、 グローバル名前空間内のToTypeは、 NS_TPLU内でTypeNameより前に宣言されたtemplate<> ToTypeによってname-hidingが起こり、 TypeNameからは非可視となるためname lookupの対象から外れる。 また、ToType(int const&)は、TypeNameの定義より後方で宣言されているため、 name lookupの対象外となり、 その結果、ToType(t)の呼び出しは、NS_TPLU内のtemplate<> ToTypeの宣言と関連付けられる。

という手順で行われる。

以上の理由から、先に示した例でのToTypeの戻り値は”X”となり、 後に示した例でのToTypeの戻り値は”unknown”となる。 これはtwo phase lookupの結果であり、 two phase lookupが実装されていないコンパイラ(こういったコンパイラは存在する)では、 結果が異なるため注意が必要である (本ドキュメントではこのような問題をできる限り避けるために、 サンプルコードをg++clang++でコンパイルしている)。

以下に、two phase lookupにまつわるさらに驚くべきコード例を紹介する。 上と同じ定義、宣言がある場合の以下のコードの動作を考える。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 54

    ASSERT_EQ("type:long", NS_TPLU::TypeName(long{}));

NS_TPLU::TypeName(int{})のintをlongにしただけなので、この単体テストはパスしないが、 この単体テストコードの後(実際にはこのファイルのコンパイル単位の中のNS_TPLU内で、 且つtemplate<> ToTypeの宣言の後方であればどこでもよい) に以下のコードを追加するとパスしてしまう。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 61

    namespace NS_TPLU {
    template <>
    std::string ToType<long>(long const&)
    {
        return "long";
    }
    }  // namespace NS_TPLU

この理由は、関数テンプレート内での2nd name lookupで選択された名前が関数テンプレートであった場合、 その特殊化の検索範囲はコンパイル単位内になることがあるからである (template_specialization によるとこの動作は未定義のようだが、 g++/clang++両方ともこのコードを警告なしでコンパイルする)。

TypeName(long{})内でのtwo phase name lookupは、TypeName(int{})とほぼ同様に進み、 template<> ToTypeの宣言を探し出すが、 さらに前述したようにこのコンパイル単位のNS_TPLU内からその特殊化も探し出す。 その結果、ToType(t)の呼び出しは、NS_TPLU内のtemplate<> ToType<long>の定義と関連付けられる。

以上の議論からわかる通り、関数テンプレートとその特殊化の組み合わせは、 そのインスタンス化箇所(この場合単体テストコード内)の後方から、 name lookupでバインドされる関数を変更することができるため、 極めて分かりづらいコードを生み出す。ここから、

という教訓が得られる。

なお、関数とその関数オーバーロードのname lookupの対象は、呼び出し箇所前方の宣言のみであるため、 関数テンプレートToType(T const& t)の代わりに、関数ToType(…)を使うことで、 上記問題は回避可能である。

次に示す例は、一見2nd name lookupで関連付けされるように見える関数ToType(NS_TPLU2::Y const&)が、 実際には関連付けされないコードである。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 71

    namespace NS_TPLU2 {
    struct Y {
        int i;
    };
    }  // namespace NS_TPLU2
    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 79

    // global名前空間
    template <typename T>
    std::string ToType(T const&)
    {
        return "unknown";
    }

    template <typename T>
    std::string TypeName(T const& t)
    {
        return "type:" + ToType(t);
    }

    std::string ToType(NS_TPLU2::Y const&) { return "Y"; }

これは先に示したNS_TPLU::Xの例と極めて似ている。本質的な違いは、 TypeNameやToTypeがグローバル名前空間で宣言されていることのみである。 だが、下記の単体テストで示す通り、 TypeName内でのname lookupで関数オーバーライドToType(NS_TPLU2::Y const&)が選択されないのである。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 100

    auto y = NS_TPLU2::Y{1};

    // ASSERT_EQ("type:Y", TypeName(y));
    ASSERT_EQ("type:unknown", TypeName(y));  // ToType(NS_TPLU2::Y const&)は使われない

ここまでの現象を正確に理解するには、 「two phase lookupの対象となる宣言」を下記のように、より厳密に認識する必要がある。

この認識に基づくNS_TPLU2::Yに対するグローバルなTypeName内でのtwo phase name lookupは、

  1. TypeName内に1st name lookupの対象がないため何もしない。
  2. TypeName内の2nd name lookupに使用される関連名前空間NS_TPLU2は、 ToType(NS_TPLU2::Y const&)の宣言を含まないため、この宣言は2nd name lookupの対象とならない。 その結果、ToType(t)の呼び出しは関数テンプレートToType(T const&)と関連付けられる。

という手順で行われる。

以上が、TypeNameからToType(NS_TPLU2::Y const&)が使われない理由である。

ここまでで示したようにtwo phase name lookupは理解しがたく、 理解したとしてもその使いこなしはさらに難しい。

次のコードは、この難解さに翻弄されるのが現場のプログラマのみではないことを示す。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 71

    namespace NS_TPLU2 {
    struct Y {
        int i;
    };
    }  // namespace NS_TPLU2
    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 110

    // global名前空間
    template <typename T>
    int operator+(T const&, int i)
    {
        return i;
    }

    template <typename T>
    int TypeNum(T const& t)
    {
        return t + 0;
    }

    int operator+(NS_TPLU2::Y const& y, int i) { return y.i + i; }

上記の宣言、定義があった場合、operator+の単体テストは以下のようになる。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 132

    auto y = NS_TPLU2::Y{1};

    ASSERT_EQ(1, y + 0);  // 2つ目のoperator+が選択される

このテストは当然パスするが、次はどうだろう?

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 142

    auto y = NS_TPLU2::Y{1};

    ASSERT_EQ(1, TypeNum(y));  // g++ではoperator+(NS_TPLU2::Y const&, int i)がname lookupされる

これまでのtwo phase name lookupの説明では、 operator+(NS_TPLU2::Y const& y, int i)はTypeNum内でのname lookupの対象にはならないため、 このテストはエラーとならなければならないが、g++ではパスしてしまう。 2nd name lookupのロジックにバグがあるようである。

有難いことに、clang++では仕様通りこのテストはエラーとなり、 当然ながら以下のテストはパスする(つまり、g++ではエラーする)。

    //  example/term_explanation/two_phase_name_lookup_ut.cpp 151

    auto y = NS_TPLU2::Y{1};

    ASSERT_EQ(0, TypeNum(y));  // clang++ではoperator+(T const&, int i)がname lookupされる

なお、TypeNum内のコードである

    return t + 0;

を下記のように変更することで

    return operator+(t, 0);

g++のname lookupはclang++と同じように動作するため、 記法に違和感があるものの、この方法はg++のバグのワークアランドとして使用できる。

また、operator+(NS_TPLU2::Y const& y, int i)をNS_TPLU2で宣言することで、 g++ではパスしたテストをclang++でもパスさせられるようになる(これは正しい動作)。 これにより、型とその2項演算子オーバーロードは同じ名前空間で宣言するべきである、 という教訓が得られる。

以上で見てきたようにtwo phase name lookupは、現場プログラマのみではなく、 コンパイラを開発するプログラマをも混乱させるほど難解ではあるが、 STLを含むテンプレートメタプログラミングを支える重要な機能であるため、 C++プログラマには、最低でもこれを理解し、出来れば使いこなせるようになってほしい。

実引数依存探索

実引数依存探索とは、argument-dependent lookupの和訳語であり、 通常はその略語であるADLと呼ばれる。

ADL

ADLとは、関数の実引数の型が宣言されている名前空間(これを関連名前空間と呼ぶ)内の宣言が、 その関数のname lookupの対象になることである。

下記のようなコードがあった場合、

    //  example/term_explanation/name_lookup_adl_ut.cpp 5
    namespace NS_ADL {
    struct A {
        int i;
    };

    std::string ToString(A const& a) { return std::string{"A:"} + std::to_string(a.i); }
    }  // namespace NS_ADL

以下のコードでのToStringの呼び出しに対するのname lookupは、

    //  example/term_explanation/name_lookup_adl_ut.cpp 18

    auto a = NS_ADL::A{0};

    ASSERT_EQ("A:0", ToString(a));  // ADLの効果により、ToStringはNS_ADLを指定しなくても見つかる

の両方を対象として行われる。 NS_ADL内の宣言がToStringの呼び出しに対するのname lookupの対象になる理由は、 ToStringの呼び出しに使われている実引数aの型AがNS_ADLで宣言されているからである。 すでに述べたようにこれをADLと呼び、この場合のNS_ADLを関連名前空間と呼ぶ。

ADLは思わぬname lookupによるバグを誘発することもあるが、 下記コードを見れば明らかなように、また、 多くのプログラマはそれと気づかずに使っていることからもわかる通り、 コードをより自然に、より簡潔に記述するための重要な機能となっている。

    //  example/term_explanation/name_lookup_adl_ut.cpp 28

    // 下記operator <<は、std::operator<<(ostream&, string const&)であり、
    // namespace stdで定義されている。

    // ADLがあるため、operator <<は名前空間修飾無しで呼び出せる。
    std::cout << std::string{__func__};

    // ADLが無いと下記のような呼び出しになる。
    std::operator<<(std::cout, std::string{__func__});

関連名前空間

関連名前空間(associated namespace)とは、 ADL(実引数依存探索)によってname lookupの対象になった宣言を含む名前空間のことである。

修飾付き関数呼び出し

修飾付き関数呼び出し(Qualified Call)は、 C++で関数やメンバ関数を明示的にスコープやクラス名で修飾して呼び出す方法である。 名前の曖昧性を回避し、特定の関数やクラスメンバを明確に選択する際に利用される。 これにより、意図しないname lookupを回避することができるため、可読性と安全性が向上する。 一方で、ADLが働かなくなるため、フレキシブルなname lookupができなくなる。

    //  example/term_explanation/etc_ut.cpp 68

    A::func();  // 名前空間名による修飾

    struct Derived : Base {
        void        func() { Base::func(); /* クラス名での修飾 */ }
        void        func(int) { ::func(); /* グローバル修飾 */ }
        void        func(Base) { this->func(); /* thisによる修飾 */ }
        static void func(std::string) {}
    };

    Base b;
    b.func();        // 通常の関数呼び出し
    b.Base::func();  // クラス名での修飾による関数呼び出し

    Derived d;
    Derived::func("str");  // クラス名での修飾による関数呼び出し
    d.func("str");         // 通常の関数呼び出し

hidden-friend関数

hidden-friend関数(隠れたフレンド関数、あるいは単にhidden-friend)とは、

friend関数のことを指す。このような性質から、non-namespace-visible friend関数と呼ばれることもある。

これにより、意図的に外部からのアクセスを制限し、 必要な場合にのみ利用されることを保証する設計が可能となる。

hidden-friend関数(隠れたフレンド関数)の目的は、

    //  example/term_explanation/hidden_friend_ut.cpp 7

    namespace NS {
    class Person {
    public:
        Person(std::string name, uint32_t age) : name_{std::move(name)}, age_{age} {}

        // hidden-friend関数
        friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Person& person)
        {
            os << "Name:" << person.name_ << ", Age:" << person.age_;
            return os;
        }

    private:
        std::string const name_;
        uint32_t const    age_;
    };
    }  // namespace NS
    //  example/term_explanation/hidden_friend_ut.cpp 31

    NS::Person         alice("Alice", 30);
    std::ostringstream oss;

    oss << alice;  // フレンド関数を呼び出す(ADLによって見つかる)
    ASSERT_EQ("Name:Alice, Age:30", oss.str());

    // 以下はエラー(operator<<がNS名前空間スコープで見えない)
    // NS::Person::operator<<(oss, alice);
    // 上記は以下のようなコンパイルエラーになる
    //  error: ‘operator<<’ is not a member of ‘NS::Person’

name-hiding

name-hidingとは 「前方の識別子が、その後方に同一の名前をもつ識別子があるために、 name lookupの対象外になる」現象一般をを指す通称である (namespace参照)。

まずは、クラスとその派生クラスでのname-hidingの例を示す。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 4

    struct Base {
        void f() noexcept {}
    };

    struct Derived : Base {
        // void f(int) { f(); }     // f()では、Baseのf()をname lookupできないため、
        void f(int) noexcept { Base::f(); }  // Base::でf()を修飾した
    };

上記の関数fは一見オーバーロードに見えるが、そうではない。下記のコードで示したように、 Base::f()には、修飾しない形式でのDerivedクラス経由のアクセスはできない。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 18

    {
        auto d = Derived{};
    #if 0 
        d.f(); // コンパイルできない
    #else
        d.Base::f();  // Base::での修飾が必要
    #endif
    }

これは前述したように、 Base::fがその後方にあるDerived::f(int)によりname-hidingされたために起こる現象である (name lookupによる探索には識別子が使われるため、シグネチャの違いはname-hidingに影響しない)。

下記のようにusing宣言を使用することで、 修飾しない形式でのDerivedクラス経由のBase::f()へのアクセスが可能となる。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 34

    struct Derived : Base {
        using Base::f;  // using宣言によりDerivedにBase::fを導入
        void f(int) noexcept { Base::f(); }
    };
    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 45

    auto d = Derived{};
    d.f();  // using宣言によりコンパイルできる

下記コードは、名前空間でも似たような現象が起こることを示している。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 54

    // global名前空間
    void f() noexcept {}

    namespace NS_A {
    void f(int) noexcept {}

    void g() noexcept
    {
    #if 0
        f();  // NS_A::fによりname-hidingされたため、コンパイルできない
    #endif
    }
    }  // namespace NS_A

この問題に対しては、下記のようにf(int)の定義位置を後方に移動することで回避できる。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 70

    namespace NS_A_fixed_0 {
    void g() noexcept
    {
        // グローバルなfの呼び出し
        f();  // NS_A::fは後方に移動されたためコンパイルできる
    }

    void f(int) noexcept {}
    }  // namespace NS_A_fixed_0

また、先述のクラスでの方法と同様にusing宣言を使い、下記のようにすることもできる。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 82

    namespace NS_A_fixed_1 {
    void f(int) noexcept {}

    void g() noexcept
    {
        using ::f;

        // グローバルなfの呼び出し
        f();  // using宣言によりコンパイルできる
    }
    }  // namespace NS_A_fixed_1

当然ながら、下記のようにf()の呼び出しを::で修飾することもできる。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 96

    namespace NS_A_fixed_2 {
    void f(int) noexcept {}

    void g() noexcept
    {
        // グローバルなfの呼び出し
        ::f();  // ::で修飾すればコンパイルできる
    }
    }  // namespace NS_A_fixed_2

修飾の副作用として「two phase name lookup」の例で示したような ADLを利用した高度な静的ディスパッチが使用できなくなるが、 通常のソフトウェア開発では、ADLが必要な場面は限られているため、 デフォルトでは名前空間を使用して修飾を行うことにするのが、 無用の混乱をさけるための安全な記法であると言えるだろう。

次に、そういった混乱を引き起こすであろうコードを示す。

    //  example/term_explanation/name_hiding.cpp 108

    namespace NS_B {
    struct S_in_B {};

    void f(S_in_B) noexcept {}
    void f(int) noexcept {}

    namespace NS_B_Inner {
    void g() noexcept
    {
        f(int{});  // コンパイルでき、NS_B::f(int)が呼ばれる
    }

    void f() noexcept {}

    void h() noexcept
    {
        // f(int{});     // コンパイルできない
        NS_B::f(int{});  // 名前空間で修飾することでコンパイルできる

        f(S_in_B{});  // ADLによりコンパイルできる
    }
    }  // namespace NS_B_Inner
    }  // namespace NS_B

NS_B_Inner::g()内のf(int)の呼び出しはコンパイルできるが、 name-hidingが原因で、NS_B_Inner::h()内のf(int)の呼び出しはコンパイルできず、 名前空間で修飾することが必要になる。 一方で、ADLの効果で名前空間での修飾をしていないf(S_in_B)の呼び出しはコンパイルできる。

全チームメンバがこういったname lookupを正しく扱えると確信できないのであれば、 前述の通り、デフォルトでは名前空間を使用して修飾を行うのが良いだろう。

ダイヤモンド継承

ダイヤモンド継承(Diamond Inheritance)とは、以下のような構造のクラス継承を指す。

この継承は、多重継承の一形態であり、クラス図で表すと下記のようになるため、 ダイヤモンド継承と呼ばれる。

ダイヤモンド継承は、 仮想継承(virtual inheritance)を使ったものと、使わないものに分類できる。

仮想継承を使わないダイヤモンド継承のコードを以下に示す。

    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 6

    class Base {
    public:
        int32_t get() const noexcept { return x_; }
        void    set(int32_t x) noexcept { x_ = x; }

    private:
        int32_t x_ = 0;
    };

    class Derived_0 : public Base {};

    class Derived_1 : public Base {};

    class DerivedDerived : public Derived_0, public Derived_1 {};
    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 26

    auto dd = DerivedDerived{};

    Base& b0 = static_cast<Derived_0&>(dd);  // Derived_0::Baseのリファレンス
    Base& b1 = static_cast<Derived_1&>(dd);  // Derived_1::Baseのリファレンス

    ASSERT_NE(&b0, &b1);  // ddの中には、Baseインスタンスが2つできる

これからわかるように、DerivedDerivedインスタンスの中に2つのBaseインスタンスが存在する。 この状態をオブジェクト図で表すと下記のようになる。

下記コードは、それが原因で名前解決が曖昧になりコンパイルできない。

    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 36

    Base& b = dd;  // Derived_0::Base or Derived_1::Base ?

    dd.get();  // Derived_0::get or  Derived_1::get ?

    // 下記のようなエラーが発生する
    //  diamond_inheritance_ut.cpp:37:15: error: ‘Base’ is an ambiguous base of ‘DerivedDerived’
    //     37 |     Base& b = dd;  // Derived_0::Base or Derived_1::Base ?
    //        |               ^~
    //  diamond_inheritance_ut.cpp:39:8: error: request for member ‘get’ is ambiguous
    //     39 |     dd.get();  // Derived_0::get or  Derived_1::get ?
    //        |        ^~~

この問題に対処するには、クラス名による修飾が必要になるが、 Baseインスタンスが2つ存在するため、下記に示すようなわかりづらいバグの温床となる。

    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 53

    ASSERT_EQ(0, dd.Derived_0::get());  // クラス名による名前修飾
    ASSERT_EQ(0, dd.Derived_1::get());

    dd.Derived_0::set(1);
    ASSERT_EQ(1, dd.Derived_0::get());  // Derived_0::Base::x_は1に変更
    ASSERT_EQ(0, dd.Derived_1::get());  // Derived_1::Base::x_は0のまま

    dd.Derived_1::set(2);
    ASSERT_EQ(1, dd.Derived_0::get());  // Derived_0::Base::x_は1のまま
    ASSERT_EQ(2, dd.Derived_1::get());  // Derived_1::Base::x_は2に変更

次に示すのは、仮想継承を使用したダイヤモンド継承の例である。

    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 70

    class Base {
    public:
        int32_t get() const noexcept { return x_; }
        void    set(int32_t x) noexcept { x_ = x; }

    private:
        int32_t x_ = 0;
    };

    class Derived_0 : public virtual Base {};  // 仮想継承

    class Derived_1 : public virtual Base {};  // 仮想継承

    class DerivedDerived : public Derived_0, public Derived_1 {};
    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 90

    auto dd = DerivedDerived{};

    Base& b0 = static_cast<Derived_0&>(dd);  // Derived_0::Baseのリファレンス
    Base& b1 = static_cast<Derived_1&>(dd);  // Derived_1::Baseのリファレンス

    ASSERT_EQ(&b0, &b1);  // ddの中には、Baseインスタンスが1つできる

仮想継承の効果で、DerivedDerivedインスタンスの中に存在するBaseインスタンスは1つになるため、 上で示した仮想継承を使わないダイヤモンド継承での問題は解消される (が、仮想継承による別の問題が発生する)。

    //  example/term_explanation/diamond_inheritance_ut.cpp 99

    Base& b = dd;  // Baseインスタンスは1つであるため、コンパイルできる

    dd.get();  // Baseインスタンスは1つであるため、コンパイルできる

    dd.Derived_0::set(1);               // クラス名による修飾
    ASSERT_EQ(1, dd.Derived_1::get());  // Derived_1::BaseとDerived_1::Baseは同一であるため

    dd.set(2);
    ASSERT_EQ(2, dd.get());

この状態をオブジェクト図で表すと下記のようになる。

仮想継承

下記に示した継承方法を仮想継承、仮想継承の基底クラスを仮想基底クラスと呼ぶ。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 9

    class Base {
    public:
        explicit Base(int32_t x = 0) noexcept : x_{x} {}
        int32_t get() const noexcept { return x_; }

    private:
        int32_t x_;
    };

    class DerivedVirtual : public virtual Base {  // 仮想継承
    public:
        explicit DerivedVirtual(int32_t x) noexcept : Base{x} {}
    };

仮想継承は、ダイヤモンド継承の基底クラスのインスタンスを、 その継承ヒエラルキーの中で1つのみにするための言語機能である。

仮想継承の独特の動作を示すため、 上記コードに加え、仮想継承クラス、通常の継承クラス、 それぞれを通常の継承したクラスを下記のように定義する。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 25

    class DerivedDerivedVirtual : public DerivedVirtual {  // 仮想継承を通常の継承
    public:
        // 注: DerivedDerivedVirtualのコンストラクタは、Baseのデフォルトコンストラクタを呼び出す
        explicit DerivedDerivedVirtual(int32_t x) noexcept : DerivedVirtual{x} {}
    };

    class DerivedNormal : public Base {  // 通常の継承
    public:
        explicit DerivedNormal(int32_t x) noexcept : Base{x} {}
    };

    class DerivedDerivedNormal : public DerivedNormal {  // 通常継承を通常の継承
    public:
        explicit DerivedDerivedNormal(int32_t x) noexcept : DerivedNormal{x} {}
    };

この場合、継承ヒエラルキーに仮想継承を含むクラスと、含まないクラスでは、 以下に示したような違いが発生する。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 46

    auto dv = DerivedVirtual{1};  // 仮想継承クラス
    auto dn = DerivedNormal{1};   // 通常の継承クラス

    ASSERT_EQ(1, dv.get());  // これは非仮想継承と同じ動作
    ASSERT_EQ(1, dn.get());

    auto ddv = DerivedDerivedVirtual{1};  // 仮想継承クラスを継承したクラス Base::Base()が呼ばれる
    auto ddn = DerivedDerivedNormal{1};  // 通常継承クラスを継承したクラス Base::Base(1)が呼ばれる

    ASSERT_EQ(0, ddv.get());  // ddvのBaseインスタンスはのデフォルトコンストラクタで初期化されている
    ASSERT_EQ(1, ddn.get());

この動作は、下記の仕様に起因している (引数なしで呼び出せる基底クラスのコンストラクタがない場合はコンパイルエラー)。

「仮想継承クラスを継承したクラスが、仮想継承クラスの基底クラスのコンストラクタを明示的に呼び出さない場合、 引数なしで呼び出せる基底クラスのコンストラクタが呼ばれる」

以下では、これを「仮想継承のコンストラクタ呼び出し」仕様と呼ぶことにする。

仮想継承クラスが、基底クラスのコンストラクタを呼び出したとしても、この仕様が優先されるため、 上記コードのような動作となる。

これを通常の継承クラスと同様な動作にするには、下記のようにしなければならない。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 62

    class DerivedDerivedVirtualFixed : public DerivedVirtual {  // DerivedDerivedNormalと同じように動作
    public:
        explicit DerivedDerivedVirtualFixed(int32_t x) noexcept : Base{x}, DerivedVirtual{x} {}
        //                     基底クラスのコンストラクタ呼び出し ^^^^^^^
    };
    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 73

    DerivedDerivedVirtual ddv{1};  // 仮想継承クラスを継承したクラス
    DerivedDerivedVirtualFixed ddvf{1};  // 上記クラスのコンストラクタを修正したクラス
    DerivedDerivedNormal ddn{1};         // 通常の継承クラスを継承したクラス

    ASSERT_EQ(0, ddv.get());  // 仮想継承独特の動作
    ASSERT_EQ(1, ddvf.get());
    ASSERT_EQ(1, ddn.get());

「仮想継承のコンストラクタ呼び出し」仕様は、 ダイヤモンド継承での基底クラスのコンストラクタ呼び出しを一度にするために存在する。

もし、この機能がなければ、下記のコードでの基底クラスのコンストラクタ呼び出しは2度になるため、 デバッグ困難なバグが発生してしまうことは容易に想像できるだろう。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 88

    int32_t base_called;

    class Base {
    public:
        explicit Base(int32_t x = 0) noexcept : x_{x} { ++base_called; }
        int32_t get() const noexcept { return x_; }

    private:
        int32_t x_;
    };

    class Derived_0 : public virtual Base {  // 仮想継承
    public:
        explicit Derived_0(int32_t x) noexcept : Base{x} { assert(base_called == 1); }
    };

    class Derived_1 : public virtual Base {  // 仮想継承
    public:
        explicit Derived_1(int32_t x) noexcept : Base{x} { assert(base_called == 1); }
    };

    class DerivedDerived : public Derived_0, public Derived_1 {
    public:
        DerivedDerived(int32_t x0, int32_t x1) noexcept : Derived_0{x0}, Derived_1{x1} {}
        // 「仮想継承のコンストラクタ呼び出し」仕様がなければ、このコンストラクタは、
        //    Base::Base -> Derived_0::Derived_0 ->
        //      Base::Base -> Derived_0::Derived_0 ->
        //        DerivedDerived::DerivedDerived
        //  という呼び出しになるため、Base::Baseが2度呼び出されてしまう。
    };
    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 124

    ASSERT_EQ(0, base_called);

    auto dd = DerivedDerived{2, 3};  // Base::Baseが最初に呼ばれないとassertion failする

    ASSERT_EQ(1, base_called);  // 「仮想継承のコンストラクタ呼び出し」仕様のため
    ASSERT_EQ(0, dd.get());  // Baseのデフォルトコンストラクタは、x_を0にする

基底クラスのコンストラクタ呼び出しは、下記のコードのようにした場合でも、 単体テストが示すように、一番最初に行われる。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 139

    class DerivedDerived : public Derived_0, public Derived_1 {
    public:
        DerivedDerived(int32_t x0, int32_t x1) noexcept : Derived_0{x0}, Derived_1{x1}, Base{1} {}
    };
    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 151

    ASSERT_EQ(0, base_called);

    auto dd = DerivedDerived{2, 3};  // Base::Baseが最初に呼ばれないとassertion failする

    ASSERT_EQ(1, base_called);  // 「仮想継承のコンストラクタ呼び出し」仕様のため
    ASSERT_EQ(1, dd.get());  // Base{1}呼び出しの効果

このため、基底クラスのコンストラクタ呼び出しは下記のような順番で行うべきである。

    //  example/term_explanation/virtual_inheritance_ut.cpp 164

    class DerivedDerived : public Derived_0, public Derived_1 {
    public:
        DerivedDerived(int32_t x0, int32_t x1) noexcept : Base{1}, Derived_0{x0}, Derived_1{x1} {}
    };

仮想基底

仮想基底(クラス)とは、仮想継承の基底クラス指す。

ドミナンス

ドミナンス(Dominance、支配性)とは、 「探索対称の名前が継承の中にも存在するような場合のname lookupの仕様の一部」 を指す慣用句である。

以下に

のドミナンスについてのコードを例示する。

この例で示したように、ダイヤモンド継承を通常の継承で行うか、 仮想継承で行うかでは結果が全く異なるため、注意が必要である。

ダイヤモンド継承を含まない場合

    //  example/term_explanation/dominance_ut.cpp 9

    int32_t f(double) noexcept { return 0; }

    struct Base {
        int32_t f(int32_t) const noexcept { return 1; }
        int32_t f(double) const noexcept { return 2; }
    };

    struct Derived : Base {
        int32_t f(int32_t) const noexcept { return 3; }  // Base::fを隠蔽する(name-hiding)
    };

    struct DerivedDerived : Derived {
        int32_t g() const noexcept { return f(2.14); }
    };
    //  example/term_explanation/dominance_ut.cpp 29

    Base b;

    ASSERT_EQ(2, b.f(2.14));  // オーバーロード解決により、B::f(double)が呼ばれる

    DerivedDerived dd;

    // Derivedのドミナンスにより、B::fは、DerivedDerived::gでのfのname lookupの対象にならず、
    // DerivedDerived::gはDerived::fを呼び出す。
    ASSERT_EQ(3, dd.g());

このname lookupについては、name-hidingで説明した通りである。

ダイヤモンド継承かつそれが仮想継承でない場合

    //  example/term_explanation/dominance_ut.cpp 45

    struct Base {
        int32_t f(int32_t) const noexcept { return 1; }
        int32_t f(double) const noexcept { return 2; }
    };

    struct Derived_0 : Base {
        int32_t f(int32_t) const noexcept { return 3; }  // Base::fを隠蔽する(name-hiding)
    };

    struct Derived_1 : Base {};

    struct DerivedDerived : Derived_0, Derived_1 {
        int32_t g() const noexcept { return f(2.14); }  // Derived_0::f or Derived_1::f ?
    };

    // dominance_ut.cpp:58:41: error: reference to ‘f’ is ambiguous
    //    58 |     int32_t g() const noexcept { return f(2.14); }  // Derived_0::f or Derived_1::f ?
    //       |                                         ^

上記コードはコードブロック内のコメントのようなメッセージが原因でコンパイルできない。

Derived_0のドミナンスにより、DerivedDerived::gはDerived_0::fを呼び出すように見えるが、 もう一つの継承元であるDerived_1が導入したDerived_1::f(実際には、Derived_1::Base::f)があるため、 Derived_1によるドミナンスも働き、その結果として、呼び出しが曖昧(ambiguous)になることで、 このような結果となる。

ダイヤモンド継承かつそれが仮想継承である場合

    //  example/term_explanation/dominance_ut.cpp 71

    struct Base {
        int32_t f(int32_t) const noexcept { return 1; }
        int32_t f(double) const noexcept { return 2; }
    };

    struct Derived_0 : virtual Base {
        int32_t f(int32_t) const noexcept { return 3; }  // Base::fを隠蔽する(name-hiding)
    };

    struct Derived_1 : virtual Base {};

    struct DerivedDerived : Derived_0, Derived_1 {
        int32_t g() const noexcept { return f(2.14); }
    };
    //  example/term_explanation/dominance_ut.cpp 92

    DerivedDerived dd;

    // Derived_0のドミナンスと仮想継承の効果により、
    // B::fは、DerivedDerived::gでのfのname lookupの対象にならず、
    // DerivedDerived::gはDerived_0::fを呼び出す。
    ASSERT_EQ(3, dd.g());

これまでと同様にDerived_0のドミナンスによりBase::fはname-hidingされることになる。 この時、Derived_0、Derived_1がBaseから仮想継承した効果により、 この継承ヒエラルキーの中でBaseは1つのみ存在することになるため、 Derived_1により導入されたBase::fも併せてname-hidingされる。 結果として、曖昧性は排除され、コンパイルエラーにはならず、このような結果となる。

using宣言

using宣言とは、“using XXX::func”のような記述である。 この記述が行われたスコープでは、この記述後の行から名前空間XXXでの修飾をすることなく、 funcが使用できる。

    //  example/term_explanation/namespace_ut.cpp 6
    namespace XXX {
    void func() noexcept {}
    void gunc() noexcept {}
    }  // namespace XXX
    //  example/term_explanation/namespace_ut.cpp 12

    // global namespace
    void using_declaration() noexcept
    {
        using XXX::func;  // using宣言

        func();       // XXX::不要
        XXX::gunc();  // XXX::必要
    }

usingディレクティブ

usingディレクティブとは、“using namespace XXX”のような記述である。 この記述が行われたスコープでは、下記例のように、この記述後から名前空間XXXでの修飾をすることなく、 XXXの識別子が使用できる。

    //  example/term_explanation/namespace_ut.cpp 6
    namespace XXX {
    void func() noexcept {}
    void gunc() noexcept {}
    }  // namespace XXX
    //  example/term_explanation/namespace_ut.cpp 24

    // global namespace
    void using_directive() noexcept
    {
        using namespace XXX;  // usingディレクティブ

        func();  // XXX::不要
        gunc();  // XXX::不要
    }

より多くの識別子が名前空間の修飾無しで使えるようになる点において、 using宣言よりも危険であり、また、 下記のようにname-hidingされた識別子の導入には効果がない。

    //  example/term_explanation/namespace_ut.cpp 6
    namespace XXX {
    void func() noexcept {}
    void gunc() noexcept {}
    }  // namespace XXX
    //  example/term_explanation/namespace_ut.cpp 35

    namespace XXX_Inner {
    void func(int) noexcept {}
    void using_declaration() noexcept
    {
    #if 0
        using namespace XXX;  // name-hidingのため効果がない
    #else
        using XXX::func;  // using宣言
    #endif

        func();  // XXX::不要
    }

従って、usingディレクティブの使用は避けるべきである。

template強化機能

SFINAE

SFINAE (Substitution Failure Is Not An Errorの略称、スフィネェと読む)とは、 「テンプレートのパラメータ置き換えに失敗した(ill-formedになった)際に、 即時にコンパイルエラーとはせず、置き換えに失敗したテンプレートを name lookupの候補から除外する」 という言語機能である。

コンセプト

C++17までのテンプレートには以下のような問題があった。

C++20から導入された「コンセプト(concepts)」は、 テンプレートパラメータを制約する機能である。 この機能を使用することで、以下のようなプログラミングでのメリットが得られる。

    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 12

    // SFINAEを使用したc++17スタイル
    template <typename T, typename = typename std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value>::type>
    T add(T a, T b)
    {
        return a + b;
    }

    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 24

    ASSERT_EQ(add(10, 20), 30);     // int型
    ASSERT_EQ(add(1.5, 2.5), 4.0);  // double型

    auto str1 = std::string{"Hello, "};
    auto str2 = std::string{"World!"};
    // add(str1, str2);  // これを試すとコンパイルエラー
    // concept_ut.cpp:10:3: note: candidate: ‘template<class T, class> T
    // {anonymous}::old_style::add(T, T)’
    //    10 | T add(T a, T b) {
    //       |   ^~~
    // concept_ut.cpp:10:3: note:   template argument deduction/substitution failed:
    // concept_ut.cpp:9:22: error: no type named ‘type’ in ‘struct std::enable_if<false, void>’
    //     9 | template<typename T, typename = typename
    //     std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value>::type>
    //       |                      ^~~~~~~~
    // エラーメッセージがわかりずらい
    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 49

    // コンセプトを使用したC++20スタイル
    template <typename T>
    concept Arithmetic = std::is_arithmetic_v<T>;

    template <Arithmetic T>
    T add(T a, T b)
    {
        return a + b;
    }

    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 64

    ASSERT_EQ(add(10, 20), 30);     // int型
    ASSERT_EQ(add(1.5, 2.5), 4.0);  // double型

    auto str1 = std::string{"Hello, "};
    auto str2 = std::string{"World!"};
    // add(str1, str2);  // これを試すとコンパイルエラー
    // concept_ut.cpp:36:27: note: the expression ‘is_arithmetic_v<T> [with T =
    // std::basic_string<char, std
    // ::char_traits<char>, std::allocator<char> >]’ evaluated to ‘false’
    //    36 | concept Arithmetic = std::is_arithmetic_v<T>;
    //       |                      ~~~~~^~~~~~~~~~~~~~~~~~
    // ↑  エラーメッセージがわかりよい。テンプレートTがコンセプトfalseとなる

以下はテンプレートパラメータの制約にstatic_assertを使用した例である。

    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 85

    // 制約のためにstatic_assertを使用したC++17スタイル
    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs) noexcept
    {
        static_assert(std::is_floating_point_v<FLOAT_0>, "FLOAT_0 shoud be float or double.");
        static_assert(std::is_same_v<FLOAT_0, FLOAT_1>, "FLOAT_0 and FLOAT_1 shoud be a same type.");

        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }

以上の関数テンプレートをコンセプトを使用して改善した例である。

    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 113

    // 標準コンセプト std::floating_point と std::same_as を使用
    template <std::floating_point FLOAT_0, std::same_as<FLOAT_0> FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs) noexcept
    {
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }

フレキシブルに制約を記述するためにrequiresを使用したコード例を下記する。

    //  example/term_explanation/concept_ut.cpp 138

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20

    // requiresを使った関数テンプレートの制約
    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    requires std::floating_point<FLOAT_0> && std::same_as<FLOAT_0, FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs) noexcept
    {
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }

    #else  // c++17
    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs) noexcept
    {
        static_assert(std::is_same_v<FLOAT_0, FLOAT_1>);
        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }
    #endif

畳み込み式

畳み式(fold expression)とは、C++17から導入された新機能であり、 可変引数テンプレートのパラメータパックに対して二項演算を累積的に行うためのものである。

畳み込み式のシンタックスの使用は下記のようなものである。

( pack op ... )          // (1) 単項右畳み込み
( ... op pack )          // (2) 単項左畳み込み
( pack op ... op init )  // (3) 二項右畳み込み
( init op ... op pack )  // (4) 二項左畳み込み
  1. 単項右畳み込み
    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 9

    namespace cpp14_style {  // c++14までのスタイル
    template <typename T>
    constexpr bool all_true(T arg)
    {
        return arg;
    }
    template <typename T, typename... Args>
    constexpr bool all_true(T arg, Args... args)
    {
        return arg && all_true(args...);
    }
    }  // namespace cpp14_style

    namespace cpp17_style {  // 畳み込み式を使用したスタイル
    template <typename... Ts>
    constexpr bool all_true(Ts... args)
    {
        return (args && ...);  // 単項右畳み込み
    }
    }  // namespace cpp17_style

    static_assert(cpp14_style::all_true(true, true, true));
    static_assert(cpp17_style::all_true(true, true, true));
  1. 単項左畳み込み
    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 36
    namespace cpp14_style {  // c++14までのスタイル
    template <typename T>
    constexpr bool any_true(T arg)
    {
        return arg;
    }
    template <typename T, typename... Args>
    constexpr bool any_true(T arg, Args... args)
    {
        return arg || any_true(args...);
    }
    }  // namespace cpp14_style

    namespace cpp17_style {  // 畳み込み式を使用したスタイル
    template <typename... Ts>
    constexpr bool any_true(Ts... args)
    {
        return (... || args);  // 単項左畳み込み
    }
    }  // namespace cpp17_style
    static_assert(cpp14_style::any_true(false, false, true));
    static_assert(cpp17_style::any_true(false, false, true));
  1. 二項右畳み込み
    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 61

    namespace cpp14_style {  // c++14までのスタイル
    template <typename T>
    constexpr int sum(T arg)
    {
        return arg;
    }
    template <typename T, typename... Args>
    constexpr int sum(T arg, Args... args)
    {
        return arg + sum(args...);
    }

    }  // namespace cpp14_style

    namespace cpp17_style {  // 畳み込み式を使用したスタイル
    template <typename... Ts>
    constexpr int sum(Ts... args)
    {
        return (args + ... + 0);  // 二項右畳み込み (初期値: 0)
    }
    }  // namespace cpp17_style

    static_assert(cpp14_style::sum(1, 2, 3));
    static_assert(cpp17_style::sum(1, 2, 3));
  1. 二項左畳み込み
    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 89

    namespace cpp14_style {  // c++14までのスタイル
    template <typename T>
    constexpr int product(T arg)
    {
        return arg;
    }
    template <typename T, typename... Args>
    constexpr int product(T arg, Args... args)
    {
        return arg * product(args...);
    }
    }  // namespace cpp14_style

    namespace cpp17_style {  // 畳み込み式を使用したスタイル
    template <typename... Ts>
    constexpr int product(Ts... args)
    {
        return (1 * ... * args);  // 二項左畳み込み (初期値: 1)
    }
    }  // namespace cpp17_style

    static_assert(cpp14_style::product(2, 3, 4));
    static_assert(cpp17_style::product(2, 3, 4));

上記したような単純な例では、畳み込み式の効果はわかりづらいため、 もっと複雑なで読解が困難な再帰構造を持ったコードを以下に示す。

    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 117
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    struct is_same_some_of {
        static constexpr bool value{std::is_same_v<T, U> ? true : is_same_some_of<T, Us...>::value};
    };

    template <typename T, typename U>
    struct is_same_some_of<T, U> {
        static constexpr bool value{std::is_same_v<T, U>};
    };
    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 128

    static_assert(is_same_some_of<int, int, double, char>::value);
    static_assert(!is_same_some_of<int, double, char>::value);
    static_assert(is_same_some_of<std::string, std::string, int>::value);

畳み込み式を使うことで、この問題をある程度緩和したコードを下記する。

    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 140
    template <typename T, typename U, typename... Us>
    struct is_same_some_of {
        static constexpr bool value = (std::is_same_v<T, U> || ... || std::is_same_v<T, Us>);
    };
    //  example/term_explanation/flold_expression_ut.cpp 146

    static_assert(is_same_some_of<int, int, double, char>::value);
    static_assert(!is_same_some_of<int, double, char>::value);
    static_assert(is_same_some_of<std::string, std::string, int>::value);

ジェネリックラムダ

ジェネリックラムダとは、C++11のラムダ式のパラメータの型にautoを指定できるようにした機能で、 C++14で導入された。

この機能により関数の中で関数テンプレートと同等のものが定義できるようになった。

ジェネリックラムダで定義されたクロージャは、通常のラムダと同様にオブジェクトであるため、 下記のように使用することもできる便利な記法である。

    //  example/term_explanation/generic_lambda_ut.cpp 4

    template <typename PUTTO>
    void f(PUTTO&& p)
    {
        p(1);
        p(2.71);
        p("str");
    }

    TEST(Template, generic_lambda)
    {
        std::ostringstream oss;

        f([&oss](auto const& elem) { oss << elem << std::endl; });

        ASSERT_EQ("1\n2.71\nstr\n", oss.str());
    }

なお、上記のジェネリックラムダは下記クラスのインスタンスの動きと同じである。

    //  example/term_explanation/generic_lambda_ut.cpp 23

    class Closure {
    public:
        Closure(std::ostream& os) : os_(os) {}

        template <typename T>
        void operator()(T&& t)
        {
            os_ << t << std::endl;
        }

    private:
        std::ostream& os_;
    };

    TEST(Template, generic_lambda_like)
    {
        std::ostringstream oss;

        Closure closure(oss);
        f(closure);

        ASSERT_EQ("1\n2.71\nstr\n", oss.str());
    }

クラステンプレートのテンプレート引数の型推論

C++17から、 「コンストラクタに渡される値によって、クラステンプレートのテンプレート引数を推論する」 機能が導入された。

この機能がないC++14までは以下のように記述する必要があった。

    //  example/term_explanation/template_ut.cpp 13

    auto a = std::vector<int>{1, 2, 3};

    static_assert(std::is_same_v<decltype(a), std::vector<int>>);

これに対して、この機能により、以下のようにシンプルに記述できるようになった。

    //  example/term_explanation/template_ut.cpp 24

    auto a = std::vector{1, 2, 3};

    static_assert(std::is_same_v<decltype(a), std::vector<int>>);  // テンプレート引数がintと推論

テンプレートの型推論ガイド

テンプレートの型推論ガイド(CTAD(Class Template Argument Deduction))は、 C++17で導入された機能である。この機能により、 クラステンプレートのインスタンス化時にテンプレート引数を明示的に指定せず、 引数から自動的に型を推論できるようになる。型推論ガイドを使用することで、 コードの可読性と簡潔性が向上する。

型推論ガイドがない場合、クラステンプレートのテンプレート引数の型推論は限定的であり、 明示的にテンプレート引数を指定する必要がある場合が多い。 一方、型推論ガイドを使用することで、 コンストラクタの引数からテンプレート引数を自動的に決定することが可能になる。

    //  example/term_explanation/deduction_guide_ut.cpp 8

    template <typename T>  // Tが整数型の場合、暗黙の型変換を許可
    struct S {
        // T が整数型でない場合に有効なコンストラクタ
        template <typename U = T, std::enable_if_t<!std::is_integral_v<U>>* = nullptr>
        explicit S(U x) : value{x}
        {
        }

        // T が整数型の場合に有効な非explicitコンストラクタ
        template <typename U = T, std::enable_if_t<std::is_integral_v<U>>* = nullptr>
        S(U x) : value{x}
        {
        }

        T value;
    };

上記のクラステンプレートは、ガイドがない場合、 以下に示すように型推論によりテンプレート引数を決定することができない。

    //  example/term_explanation/deduction_guide_ut.cpp 31

    S<int>    s1{42};   // 明示的にテンプレート引数を指定
    S<double> s2{1.0};  // 明示的にテンプレート引数を指定

    // テンプレート引数の推論ができず、下記はコンパイルできない
    // S       s1{42};   // 明示的にテンプレート引数を指定
    // S       s2{1.0};  // 明示的にテンプレート引数を指定

以上に示したクラステンプレートに以下の型推論ガイドを追加することにより、 テンプレート引数を型推論できるようになる。

    //  example/term_explanation/deduction_guide_ut.cpp 44

    template <typename T>
    S(T) -> S<T>;
    //  example/term_explanation/deduction_guide_ut.cpp 52

    S s1{42};   // 推論ガイドの効果
    S s2{1.0};  // 推論ガイドの効果
    S s3 = 42;  // S<int>のコンストラクタがintであるため、暗黙の型変換が可能
    // S    s4 = 1.0;  // S<double>のコンストラクタがexplicitであるため

CTAD(Class Template Argument Deduction)

CTAD(Class Template Argument Deduction)とは、テンプレートの型推論ガイドのことである。

変数テンプレート

変数テンプレートとは、下記のコード示したような機能である。

    //  example/term_explanation/template_ut.cpp 32

    template <typename T>
    struct is_void {
        static constexpr bool value = false;
    };

    template <>
    struct is_void<void> {
        static constexpr bool value = true;
    };

    static_assert(is_void<void>::value);
    static_assert(!is_void<int>::value);
    // 以上はC++14以前のスタイル

    // 以下はC++17から導入された
    template <typename T>
    constexpr bool is_void_v = is_void<T>::value;

    static_assert(is_void_v<void>);
    static_assert(!is_void_v<int>);

なお、変数テンプレートはconstexprと定義されるが、 「定数テンプレート」ではなく変数テンプレートである。

エイリアステンプレート

エイリアステンプレート(alias templates)とはC++11から導入され、 下記のコード例で示したようにテンプレートによって型の別名を定義する機能である。

    //  example/term_explanation/template_ut.cpp 56

    using IntVector = std::vector<int>;  // std::vector<int> のエイリアスを定義

    template <typename T>  //エイリアステンプレートを定義
    using Vec = std::vector<T>;

    static_assert(std::is_same_v<IntVector, Vec<int>>);  // Vec<int> == std::vector<int>

constexpr if文

C++17で導入されたconstexpr if文とは、 文を条件付きコンパイルすることができるようにするための制御構文である。

まずは、この構文を使用しない例を示す。

    //  example/term_explanation/constexpr_if_ut.cpp 9

    // 配列のサイズ
    template <typename T>
    auto Length(T const&) -> std::enable_if_t<std::is_array_v<T>, size_t>
    {
        return std::extent_v<T>;
    }

    // コンテナのサイズ
    template <typename T>
    auto Length(T const& t) -> decltype(t.size())
    {
        return t.size();
    }

    // その他のサイズ
    size_t Length(...) { return 0; }
    //  example/term_explanation/constexpr_if_ut.cpp 31

    uint32_t a[5];
    auto     v = std::vector{0, 1, 2};
    struct SizeTest {
    } t;

    ASSERT_EQ(5, Length(a));
    ASSERT_EQ(3, Length(v));
    ASSERT_EQ(0, Length(t));

    // C++17で、Lengthと同様の機能の関数テンプレートがSTLに追加された
    ASSERT_EQ(std::size(a), Length(a));
    ASSERT_EQ(std::size(v), Length(v));

このような場合、SFINAEによるオーバーロードが必須であったが、 この文を使用することで、下記のようにオーバーロードを使用せずに記述できるため、 条件分岐の可読性の向上が見込める。

    //  example/term_explanation/constexpr_if_ut.cpp 52

    struct helper {
        template <typename T>
        auto operator()(T const& t) -> decltype(t.size());
    };

    template <typename T>
    size_t Length(T const& t)
    {
        if constexpr (std::is_array_v<T>) {  // Tが配列の場合
            // Tが配列でない場合、他の条件のブロックはコンパイル対象外
            return std::extent_v<T>;
        }
        else if constexpr (std::is_invocable_v<helper, T>) {  // T::Lengthが呼び出せる場合
            // T::Lengthが呼び出せない場合、他の条件のブロックはコンパイル対象外
            return t.size();
        }
        else {  // それ以外
            // Tが配列でなく且つ、T::Lengthが呼び出ない場合、他の条件のブロックはコンパイル対象外
            return 0;
        }
    }

この構文はパラメータパックの展開においても有用な場合がある。

    //  example/term_explanation/constexpr_if_ut.cpp 93

    // テンプレートパラメータで与えられた型のsizeofの値が最も大きな値を返す。
    template <typename HEAD>
    constexpr size_t MaxSizeof()
    {
        return sizeof(HEAD);
    }

    template <typename HEAD, typename T, typename... TAILS>
    constexpr size_t MaxSizeof()
    {
        return std::max(sizeof(HEAD), MaxSizeof<T, TAILS...>());
    }
    //  example/term_explanation/constexpr_if_ut.cpp 111

    static_assert(4 == (MaxSizeof<int8_t, int16_t, int32_t>()));
    static_assert(4 == (MaxSizeof<int32_t, int16_t, int8_t>()));
    static_assert(sizeof(std::string) == MaxSizeof<int32_t, int16_t, int8_t, std::string>());

C++14までの構文を使用する場合、 上記のようなオーバーロードとリカーシブコールの組み合わせが必要であったが、 constexpr ifを使用することで、やや単純に記述できる。

    //  example/term_explanation/constexpr_if_ut.cpp 123

    // テンプレートパラメータで与えられた型のsizeofの値が最も大きな値を返す。
    template <typename HEAD, typename... TAILS>
    constexpr size_t MaxSizeof()
    {
        if constexpr (sizeof...(TAILS) == 0) {  // TAILSが存在しない場合
            return sizeof(HEAD);
        }
        else {
            return std::max(sizeof(HEAD), MaxSizeof<TAILS...>());
        }
    }

autoパラメータによる関数テンプレートの簡易定義

この機能は、C++20から導入された。 下記のコードで示すように簡易的に関数テンプレートを定義するための機能である。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 182

    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
    auto add(auto lhs, auto rhs) { 
        return lhs + rhs; 
    }

    #else  // c++17
    template <typename T, typename U>
    auto add(T lhs, U rhs)
    {
        return lhs + rhs;
    }
    #endif
    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 201

    ASSERT_EQ(add(1, 2), 3);

    ASSERT_DOUBLE_EQ(add(1.5, 2.5), 4.0);

    using namespace std::literals::string_literals;

    ASSERT_EQ(add("hello"s, "world"s), "helloworld"s);

型推論

AAAスタイル

このドキュメントでのAAAとは、単体テストのパターンarrange-act-assertではなく、 almost always autoを指し、 AAAスタイルとは、「可能な場合、型を左辺に明示して変数を宣言する代わりに、autoを使用する」 というコーディングスタイルである。 この用語は、Andrei Alexandrescuによって造られ、Herb Sutterによって広く推奨されている。

特定の型を明示して使用する必要がない場合、下記のように書く。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 11

    auto i  = 1;
    auto ui = 1U;
    auto d  = 1.0;
    auto s  = "str";
    auto v  = {0, 1, 2};

    for (auto i : v) {
        // 何らかの処理
    }

    auto add = [](auto lhs, auto rhs) {  // -> return_typeのような記述は不要
        return lhs + rhs;                // addの型もautoで良い
    };

    // 上記変数の型の確認
    static_assert(std::is_same_v<decltype(i), int>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(ui), unsigned int>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(d), double>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(s), char const*>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(v), std::initializer_list<int>>);

    char s2[] = "str";  // 配列の宣言には、AAAは使えない
    static_assert(std::is_same_v<decltype(s2), char[4]>);

    int* p0 = nullptr;  // 初期値がnullptrであるポインタの初期化には、AAAは使うべきではない
    auto p1 = static_cast<int*>(nullptr);  // NG
    auto p2 = p0;                          // OK
    auto p3 = nullptr;                     // NG 通常、想定通りにならない
    static_assert(std::is_same_v<decltype(p3), std::nullptr_t>);

特定の型を明示して使用する必要がある場合、下記のように書く。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 51

    auto b  = new char[10]{0};
    auto v  = std::vector<int>{0, 1, 2};
    auto s  = std::string{"str"};
    auto sv = std::string_view{"str"};

    static_assert(std::is_same_v<decltype(b), char*>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(v), std::vector<int>>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(s), std::string>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(sv), std::string_view>);

    // 大量のstd::stringオブジェクトを定義する場合
    using std::literals::string_literals::operator""s;

    auto s_0 = "222"s;  // OK
    // ...
    auto s_N = "222"s;  // OK

    static_assert(std::is_same_v<decltype(s_0), std::string>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(s_N), std::string>);

    // 大量のstd::string_viewオブジェクトを定義する場合
    using std::literals::string_view_literals::operator""sv;

    auto sv_0 = "222"sv;  // OK
    // ...
    auto sv_N = "222"sv;  // OK

    static_assert(std::is_same_v<decltype(sv_0), std::string_view>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(sv_N), std::string_view>);

    std::mutex mtx;  // std::mutexはmove出来ないので、AAAスタイル不可
    auto       lock = std::lock_guard{mtx};

    static_assert(std::is_same_v<decltype(lock), std::lock_guard<std::mutex>>);

関数の戻り値を受け取る変数を宣言する場合、下記のように書く。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 94

    auto v = std::vector<int>{0, 1, 2};

    // AAAを使わない例
    std::vector<int>::size_type t0{v.size()};      // 正確に書くとこうなる
    std::vector<int>::iterator  itr0 = v.begin();  // 正確に書くとこうなる

    std::unique_ptr<int> p0 = std::make_unique<int>(3);

    // 上記をAAAにした例
    auto t1   = v.size();   // size()の戻りは算術型であると推測できる
    auto itr1 = v.begin();  // begin()の戻りはイテレータであると推測できる

    auto p1 = std::make_unique<int>(3);  // make_uniqueの戻りはstd::unique_ptrであると推測できる

ただし、関数の戻り値型が容易に推測しがたい下記のような場合、 型を明示しないAAAスタイルは使うべきではない。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 121

    extern std::map<std::string, int> gen_map();

    // 上記のような複雑な型を戻す関数の場合、AAAを使うと可読性が落ちる
    auto map0 = gen_map();

    for (auto [str, i] : gen_map()) {
        // 何らかの処理
    }

    // 上記のような複雑な型を戻す関数の場合、AAAを使うと可読性が落ちるため、AAAにしない
    std::map<std::string, int> map1 = gen_map();  // 型がコメントとして役に立つ

    for (std::pair<std::string, int> str_i : gen_map()) {
        // 何らかの処理
    }

    // 型を明示したAAAスタイルでも良い
    auto map2 = std::map<std::string, int>{gen_map()};  // 型がコメントとして役に立つ

インライン関数や関数テンプレートの宣言は、下記のように書く。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 148

    template <typename F, typename T>
    auto apply_0(F&& f, T value)
    {
        return f(value);
    }

ただし、インライン関数や関数テンプレートが複雑な下記のような場合、 AAAスタイルは出来る限り避けるべきである。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 156

    template <typename F, typename T>
    auto apply_1(F&& f, T value) -> decltype(f(std::declval<T>()))  // autoを使用しているが、AAAではない
    {
        auto cond  = false;
        auto param = value;

        // 複雑な処理

        if (cond) {
            return f(param);
        }
        else {
            return f(value);
        }
    }

このスタイルには下記のような狙いがある。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 183

    auto v = std::vector<int>{0, 1, 2};

    int t0 = v.size();  // 縮小型変換されるため、バグが発生する可能性がある
    // int t1{v.size()};   縮小型変換のため、コンパイルエラー
    auto t2 = v.size();  // t2は正確な型

AAAスタイルでは、以下のような場合に注意が必要である。

    //  example/term_explanation/aaa.cpp 197

    auto str0 = "str";
    static_assert(std::is_same_v<char const*, decltype(str0)>);  // str0はchar[4]ではない

    // char[]が必要ならば、AAAを使わずに下記のように書く
    char str1[] = "str";
    static_assert(std::is_same_v<char[4], decltype(str1)>);

    // &が必要になるパターン
    class X {
    public:
        explicit X(int32_t a) : a_{a} {}
        int32_t& Get() { return a_; }

    private:
        int32_t a_;
    };

    X x{3};

    auto a0 = x.Get();
    ASSERT_EQ(3, a0);

    a0 = 4;
    ASSERT_EQ(4, a0);
    ASSERT_EQ(3, x.Get());  // a0はリファレンスではないため、このような結果になる

    // X::a_のリファレンスが必要ならば、下記のように書く
    auto& a1 = x.Get();
    a1       = 4;
    ASSERT_EQ(4, a1);
    ASSERT_EQ(4, x.Get());  // a1はリファレンスであるため、このような結果になる

    // constが必要になるパターン
    class Y {
    public:
        std::string&       Name() { return name_; }
        std::string const& Name() const { return name_; }

    private:
        std::string name_{"str"};
    };

    auto const y = Y{};

    auto        name0 = y.Name();  // std::stringがコピーされる
    auto&       name1 = y.Name();  // name1はconstに見えない
    auto const& name2 = y.Name();  // このように書くべき

    static_assert(std::is_same_v<std::string, decltype(name0)>);
    static_assert(std::is_same_v<std::string const&, decltype(name1)>);
    static_assert(std::is_same_v<std::string const&, decltype(name2)>);

    // 範囲for文でのauto const&
    auto const v = std::vector<std::string>{"0", "1", "2"};

    for (auto s : v) {  // sはコピー生成される
        static_assert(std::is_same_v<std::string, decltype(s)>);
    }

    for (auto& s : v) {  // sはconstに見えない
        static_assert(std::is_same_v<std::string const&, decltype(s)>);
    }

    for (auto const& s : v) {  // このように書くべき
        static_assert(std::is_same_v<std::string const&, decltype(s)>);
    }

decltype

decltypeはオペランドにexpressionを取り、その型を算出する機能である。 下記のコードにあるようなautoの機能との微妙な差に気を付ける必要がある。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 13

    int32_t  x{3};
    int32_t& r{x};

    auto        a = r;  // aの型はint32_t
    decltype(r) b = r;  // bの型はint32_t&

    // std::is_sameはオペランドの型が同じか否かを返すメタ関数
    static_assert(std::is_same_v<decltype(a), int>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(b), int&>);

decltypeは、テンプレートプログラミングに多用されるが、 クロージャ型(「ラムダ式」参照) のような記述不可能な型をオブジェクトから算出できるため、 下記例のような場合にも有用である。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 28

    //  本来ならばA::dataは、
    //      * A::Aでメモリ割り当て
    //      * A::~Aでメモリ解放
    //  すべきだが、何らかの理由でそれが出来ないとする
    struct A {
        size_t   len;
        uint8_t* data;
    };

    void do_something(size_t len)
    {
        auto deallocate = [](A* p) {
            delete[](p->data);
            delete p;
        };

        auto a_ptr = std::unique_ptr<A, decltype(deallocate)>{new A, deallocate};

        a_ptr->len  = len;
        a_ptr->data = new uint8_t[10];

        ...
        // do something for a_ptr
        ...

        // a_ptrによるメモリの自動解放
    }

decltype(auto)

decltype(auto)はC++14から導入されたdecltypeの類似機能である。

auto、decltype、decltype(auto)では、以下に示す通りリファレンスの扱いが異なることに注意する必要がある。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 63

    int32_t  x{3};
    int32_t& r{x};

    auto           a = r;  // aの型はint32_t
    decltype(r)    b = r;  // bの型はint32_t&
    decltype(auto) c = r;  // cの型はint32_t&   C++14からサポート
                           // decltype(auto)は、decltypeに右辺の式を与えるための構文

    // std::is_sameはオペランドの型が同じか否かを返すメタ関数
    static_assert(std::is_same_v<decltype(a), int>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(b), int&>);
    static_assert(std::is_same_v<decltype(c), int&>);

CTAD(Class Template Argument Deduction)

戻り値型を後置する関数宣言

関数の戻り値型後置構文は戻り値型をプレースホルダ(auto)にして、 実際の型を->で示して型推論させるシンタックスを指す。実際には関数テンプレートで使用されることが多い。 コード例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 82

    template <typename T, typename U>
    auto add(T a, U b) -> decltype(a + b)
    {
        return a + b;
    }

    static_assert(std::is_same_v<decltype(add(1, 2)), int>);  // addの戻り値型はintに型推論
    static_assert(std::is_same_v<decltype(add(1u, 2u)), uint32_t>);  // addの戻り値型はintに型推論
    static_assert(std::is_same_v<decltype(add(std::string{"str"}, "2")),
                                 std::string>);  // addの戻り値型はstd::stringに型推論

この構文をC++11から導入された理由は以下のコードを見れば明らかだろう。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 97

    template <typename T, typename U>  // 戻り値型を後置する関数宣言
    decltype(std::declval<T>() + std::declval<T>()) add(T a, U b)
    {
        return a + b;
    }

    static_assert(std::is_same_v<decltype(add(1, 2)), int>);  // addの戻り値型はintに型推論
    static_assert(std::is_same_v<decltype(add(1u, 2u)), uint32_t>);  // addの戻り値型はintに型推論
    static_assert(std::is_same_v<decltype(add(std::string{"str"}, "2")),
                                 std::string>);  // addの戻り値型はstd::stringに型推論

関数の戻り値型auto

C++14から導入された機能で、関数の戻り値の型をautoキーワードで宣言することで、 コンパイラがreturn文から自動的に型を推論してくれる機能である。 これにより、複雑な型の戻り値を持つ関数でも、より簡潔に記述できるようになる (「autoパラメータによる関数テンプレートの簡易定義」を参照)。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 114

    // 戻り値型autoが使えないと下記のような宣言が必要
    // std::vector<std::string> split(std::string_view str, char delimiter)
    auto split(std::string_view str, char delimiter)
    {
        std::vector<std::string> result;
        std::string              token;

        for (char ch : str) {
            if (ch == delimiter) {
                if (!token.empty()) {
                    result.emplace_back(std::move(token));
                }
            }
            else {
                token += ch;
            }
        }

        if (!token.empty()) {
            result.emplace_back(std::move(token));
        }

        return result;
    }
    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 144

    auto result = split("hello,world", ',');

    ASSERT_EQ(result.size(), 2);
    ASSERT_EQ(result[0], "hello");
    ASSERT_EQ(result[1], "world");

後置戻り値型auto

C++14から導入された関数の戻り値型autoと似た、 関数の戻り値の型を関数本体の後に-> autoと書くことでができる機能である。 autoプレースホルダーとし、そのプレースホルダーを修飾することで、戻り値型の推論を補助できる。

    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 154

    int16_t gvalue = 1;

    auto getValue(int16_t a) -> auto& { return gvalue += a; }
    //  example/term_explanation/decltype_ut.cpp 163

    auto           ret1 = getValue(10);
    decltype(auto) ret2 = getValue(0);

    ASSERT_EQ(ret1, 11);
    ASSERT_EQ(ret2, 11);

    ASSERT_EQ(gvalue, 11);
    ret1 += 1;
    ASSERT_EQ(gvalue, 11);

    ret2 += 1;
    ASSERT_EQ(gvalue, 12);

explicit

explicitは、コンストラクタに対して付与することで、 コンストラクタによる暗黙の型変換を禁止するためのキーワードである。 暗黙の型変換とは、ある型の値を別の型の値に自動的に変換する言語機能を指す。 explicitキーワードを付けることで、意図しない型変換を防ぎ、コードの堅牢性を高めることがでできる。

この節で説明するexplicitの機能は下記のような項目に渡って説明を行う。

暗黙の型変換

この節で扱う暗黙の型変換とは、 以下に示したような「非explicitなコンストラクタを持つクラス」による暗黙の型変換を指し、 汎整数型昇格算術変換等を指さない。

    //  example/term_explanation/implicit_conversion_ut.cpp 8

    class Person {
    public:
        Person(char const* name, uint32_t age = 0) : name_{name}, age_{age} {}
        Person(Person const&)            = default;
        Person& operator=(Person const&) = default;

        std::string const& GetName() const noexcept { return name_; }
        uint32_t           GetAge() const noexcept { return age_; }

    private:
        std::string name_;  // コピーをするため非const
        uint32_t    age_;
    };

    #if __cplusplus <= 201703L  // c++17
    bool operator==(Person const& lhs, Person const& rhs) noexcept
    {
        return std::tuple(lhs.GetName(), lhs.GetAge()) == std::tuple(rhs.GetName(), rhs.GetAge());
    }

    #else  // c++20
    auto operator<=>(Person const& lhs, Person const& rhs) noexcept
    {
        return std::tuple(lhs.GetName(), lhs.GetAge()) <=> std::tuple(rhs.GetName(), rhs.GetAge());
    }

    // <=>から自動的に==が生成されないため、明示的に定義する必要がある
    bool operator==(Person const& lhs, Person const& rhs) noexcept { return (lhs <=> rhs) == 0; }
    #endif

上記のクラスPersonを使用して、下記のようなコードをコンパイルできるようにする機能である。

    //  example/term_explanation/implicit_conversion_ut.cpp 40

    void f(Person const& person) noexcept
    {
        ...
    }

    void using_implicit_coversion()
    {
        f("Ohtani");  // "Ohtani"はPerson型ではないが、コンパイル可能
    }

この記法は下記コードの短縮形であり、コードの見た目をシンプルに保つ効果がある。

    //  example/term_explanation/implicit_conversion_ut.cpp 54

    void not_using_implicit_coversion()
    {
        f(Person{"Ohtani"});  // 本来は、fの引数はPerson型
    }

この記法は下記のようにstd::string等のSTLでも多用され、その効果は十分に発揮されているものの、

    //  example/term_explanation/implicit_conversion_ut.cpp 66

    auto otani = std::string{"Ohtani"};

    ...

    if (otani == "Ohtani") {  // 暗黙の型変換によりコンパイルできる
        ...
    }

以下のようなコードがコンパイルできてしまうため、わかりづらいバグの元にもなる。

    //  example/term_explanation/implicit_conversion_ut.cpp 80

    auto otani = Person{"Ohtani", 26};

    ...

    if (otani == "Otani") {  // このコードがコンパイルされる。
        ...
    }

    if (otani == Person{"Otani"}) {  // 暗黙の型変換を使わない記法
        ...
    }

下記のようにコンストラクタにexplicitを付けて宣言することにより、この問題を防ぐことができる。

    //  example/term_explanation/implicit_conversion_ut.cpp 112

    class Person {
    public:
        explicit Person(char const* name, uint32_t age = 0) : name_{name}, age_{age} {}
        Person(Person const&)            = default;
        Person& operator=(Person const&) = default;

        ...
    };

    void prohibit_implicit_coversion()
    {
    #if 0  // explicit付きのコンストラクタを持つPersonと違い、コンパイルできない。
        f("Ohtani");
    #else
        f(Person{"Ohtani"});
    #endif

        auto otani = Person{"Ohtani", 26};

        ...

    #if 0
        if (otani == "Otani") {  // このコードもコンパイルできない。
            ...
        }
    #else
        if (otani == Person{"Otani", 26}) {  // この記述を強制できる。
            ...
        }
    #endif
    }

std::stringは暗黙の型変換を許して良く、(多くの場合)Personには暗黙の型変換をしない方が良い理由は、

といったセマンティクス的観点(「シンタックス、セマンティクス」参照)によるものである。

クラスPersonと同様に、 ほとんどのユーザ定義クラスには非explicitなコンストラクタによる暗黙の型変換は必要ない。

暗黙の型変換抑止

explicit宣言されていないコンストラクタを持つクラスは、 下記のコードのように暗黙の型変換が起こる。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 10

    struct A {
        A(int a) : x{a} {}
        int x;
    };

    A f(A a) { return a; };
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 21

    A a = 1;  // A::Aがexplicitでないため、iはA{1}に変換される
    ASSERT_EQ(a.x, 1);

    auto b = f(2);  // A::Aがexplicitでないため、2はA{2}に変換される
    ASSERT_EQ(b.x, 2);

暗黙の型変換はわかりづらいバグを生み出してしまうことがあるため、 下記のように適切にexplicitを使うことで、このような変換を抑止することができる。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 34

    struct A {
        explicit A(int a) : x{a} {}  // 暗黙の型変換の抑止
        int x;
    };

    A f(A a) { return a; };
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 45

    // A a = 1;    // A::Aがexplicitであるため、コンパイルエラー
    // auto b = f(2);  // A::Aがexplicitであるため、コンパイルエラー

C++03までは、一様初期化がサポートされていなかったため、 explicitは単一引数のコンストラクタに使用されることが一般的であった。

C++11からサポートされた一様初期化を下記のように使用することで、 暗黙の型変換を使用できる。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 56

    struct A {
        A(int a, int b) : x{a}, y{b} {}
        int x;
        int y;
    };

    A    f(A a) { return a; };
    bool operator==(A lhs, A rhs) { return std::tuple(lhs.x, lhs.x) == std::tuple(rhs.x, rhs.x); }
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 70

    A a = {1, 2};  // A::Aがexplicitでないため、iはA{1, 2}に変換される
    ASSERT_EQ(a, (A{1, 2}));

    auto b = f({2, 1});  // A::Aがexplicitでないため、2はA{2,1}に変換される
    ASSERT_EQ(b, (A{2, 1}));

以下に示す通り、コンストラクタの引数の数によらず、 C++11からは暗黙の型変換を抑止したい型のコンストラクタにはexplicit宣言することが一般的となっている。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 82

    struct A {
        explicit A(int a, int b) : x{a}, y{b} {}
        int x;
        int y;
    };

    A    f(A a) { return a; };
    bool operator==(A lhs, A rhs) { return std::tuple(lhs.x, lhs.x) == std::tuple(rhs.x, rhs.x); }
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 96

    // A a = {1, 2};  // A::Aがexplicitであるため、コンパイルエラー
    // auto b = f({2, 1});  // A::Aがexplicitであるため、コンパイルエラー

explicit type operator()

型変換演算子のオーバーロードの戻り値をさらに別の型に変換すると、 きわめてわかりづらいバグを生み出してしまうことがあるため、 この機能を使用すると型変換演算子のオーバーロードの型変換の抑止することができる。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 110

    struct A {
        explicit A(int a) : x{a} {}  // 暗黙の型変換の抑止
        operator bool() const noexcept { return x; }
        int x;
    };
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 123

    auto a = A{2};

    ASSERT_TRUE(a);
    ASSERT_EQ(1, a);  // aをboolに変換するとtrue、trueをintに変換すると1

    int b = a + 1;  // aをboolに変換するとtrue、trueをintに変換すると1であるため、bは2
    ASSERT_EQ(b, 2);

以下に示すようにexplicitを使うことで、このような暗黙の型変換を抑止できる。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 137

    struct A {
        explicit A(int a) : x{a} {}  // 暗黙の型変換の抑止
        explicit operator bool() const noexcept { return x; }// 暗黙の型変換の抑止
        int x;
    };
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 150

    auto a = A{2};

    // ASSERT_EQ(1, a);  // operator boolがexplicitであるため、コンパイルエラー
    // int b = a + 1;  // operator boolがexplicitであるため、コンパイルエラー

explicit(COND)

C++20から導入されたexplicit(COND)は、 コンストラクタや変換演算子に対して、 特定の条件下で暗黙の型変換を許可または禁止する機能である。 CONDには、型特性や定数式などの任意のconstexprな条件式を指定できる。 以下にこのシンタックスの単純な使用例を示す。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 162

    template <typename T>  // Tが整数型の場合、暗黙の型変換を許可
    struct S {
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        explicit(!std::is_integral_v<T>) S(T x) : value{x} {}

    #else  // c++17
        // T が整数型でない場合に有効なコンストラクタ
        template <typename U = T, std::enable_if_t<!std::is_integral_v<U>>* = nullptr>
        explicit S(U x) : value{x} { }

        // T が整数型の場合に有効な非explicitコンストラクタ
        // T が整数型の場合に有効な非explicitコンストラクタ
        template <typename U = T, std::enable_if_t<std::is_integral_v<U>>* = nullptr>
        S(U x) : value{x} { }
    #endif

        T value;
    };

    template <typename T>  // 推論ガイド
    S(T)->S<T>;
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 190

    S s = 1;      // Tがintであるため、explicit宣言されていないため、暗黙の型変換は許可
    // S t = 1.0; // Tが整数型でないため暗黙の型変換は禁止であるため、コンパイルエラー
    S t{1.0};     // Tが整数型でないが、明示的な初期化は問題ない

    ASSERT_EQ(s.value, 1);

テンプレートのパラメータの型による暗黙の型変換の可否をコントロールする例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 203

    template <typename T>
    struct Optional {
    #if __cplusplus >= 202002L  // c++20
        explicit(std::is_same_v<T, std::nullptr_t>) Optional(const T& value)
            : has_value_(!std::is_same_v<T, std::nullptr_t>), value_(value) { }

    #else  // c++17
        // Tがnullptr_tではない場合に有効なコンストラクタ
        template <typename U = T, std::enable_if_t<!std::is_same_v<U, std::nullptr_t>>* = nullptr>
        Optional(const U& value) : has_value_(true), value_(value) { }

        // Tがnullptr_tの場合に有効なexplicitコンストラクタ
        template <typename U = T, std::enable_if_t<std::is_same_v<U, std::nullptr_t>>* = nullptr>
        explicit Optional(const U& value) : has_value_(false), value_(value) { }
    #endif

        explicit operator bool() const noexcept { return has_value_; }  // bool型への変換
                 operator T() const noexcept { return value_; }         // T型への変換

    private:
        bool has_value_;
        T    value_;
    };
    template <typename T>  // 推論ガイド
    Optional(T)->Optional<T>;
    //  example/term_explanation/explicit_ut.cpp 235

    Optional a = 2;   // T == intであるため、暗黙の型変換を許可
    ASSERT_TRUE(a);   // has_value_がtrueであるため
    ASSERT_EQ(a, 2);  // T型への暗黙的変換をチェック

    // Optional n = nullptr; // T == std::nullptr_tのため暗黙の型変換抑止により、コンパイルエラー
    Optional n{nullptr};  // 通常の初期化
    ASSERT_FALSE(n);

こういった工夫により、コードの過度な柔軟性を適度に保つことができ、 可読性の向上につながる。

expressionと値カテゴリ

ここでは、expression(式)の値カテゴリや、それに付随した機能についての解説を行う。

expression

C++においてexpression、lvalue、rvalue、xvalue、glvalue、prvalueは以下のように定められている。

ざっくりと言えば、lvalueとは代入式の左辺になり得る式、rvalueとは代入式の左辺にはなり得ない式である。 T const&は左辺になり得ないが、lvalueである。rvalueリファレンス(T&&)もlvalueであるため、 rvalueであることとrvalueリファレンスであることとは全く異なる。

xvalueとは、多くの場合、「std::move()の呼び出し式のことである」と考えても差し支えない。

prvalueとは、いわゆるテンポラリオブジェクトのことであるため (下記のstd::string()で作られるようなオブジェクト)、名前はない。 また、アドレス演算子(&)のオペランドになれない。

    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 8

    {
        // sを初期化するためにstd::string{}により生成されるオブジェクトはprvalue
        // sはlvalue

        auto s = std::string{};

    #if 0
        // 下記はコンパイルエラー

        auto* sp = &std::string{};
        // 下記はg++のエラーメッセージ
        // programming_convention_type.cpp|709 col 29| error: taking address of rvalue [-fpermissive]
        // ||   709 |     auto* sp = &std::string{};
    #else
        // 下記のようにすればアドレスを取得できるが、このようなことはすべきではない。
        auto&& rvalue_ref = std::string{};
        auto   sp         = &rvalue_ref;
    #endif
        static_assert(std::is_same_v<std::string*, decltype(sp)>);
    }

C++11でrvalueの概念の整理やstd::move()の導入が行われた目的はプログラム実行速度の向上である。

の処理がどのように違うのかを見ることでrvalueの効果について説明する。

  1. 下記コードにより「lvalueからの代入」を説明する。

    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 35
    
    auto str0 = std::string{};        // str0はlvalue
    auto str1 = std::string{"hehe"};  // str1もlvalue
    str0      = str1;                 // lvalueからの代入

  1. 下記コードにより「rvalueからの代入」を説明する。

    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 46
    
    auto str0 = std::string{};        // str0はlvalue
    str0      = std::string{"hehe"};  // rvalueからの代入

  1. 下記コードにより「std::move(lvalue)からの代入」を説明する。

    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 56
    
    auto str0 = std::string{};        // str0はlvalue
    auto str1 = std::string{"hehe"};  // str1もlvalue
    str0      = std::move(str1);      // str1はこれ以降使われないとする

エッセンシャルタイプがTであるlvalue、xvalue、prvalueに対して (例えば、std::string const&のエッセンシャルタイプはstd::stringである)、 decltypeの算出結果は下表のようになる。

decltype 算出された型
decltype(lvalue) T
decltype((lvalue)) T&
decltype(xvalue) T&&
decltype((xvalue)) T&&
decltype(prvalue) T
decltype((prvalue)) T

この表の結果を使用した下記の関数型マクロ群により式を分類できる。 定義から明らかな通り、これらは テンプレートメタプログラミング に有効に活用できる。

    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 65

    #define IS_LVALUE(EXPR_) std::is_lvalue_reference_v<decltype((EXPR_))>
    #define IS_XVALUE(EXPR_) std::is_rvalue_reference_v<decltype((EXPR_))>
    #define IS_PRVALUE(EXPR_) !std::is_reference_v<decltype((EXPR_))>
    #define IS_RVALUE(EXPR_) (IS_PRVALUE(EXPR_) || IS_XVALUE(EXPR_))

    TEST(Expression, rvalue)
    {
        auto str = std::string{};

        static_assert(IS_LVALUE(str), "EXPR_ must be lvalue");
        static_assert(!IS_RVALUE(str), "EXPR_ must NOT be rvalue");

        static_assert(IS_XVALUE(std::move(str)), "EXPR_ must be xvalue");
        static_assert(!IS_PRVALUE(std::move(str)), "EXPR_ must NOT be prvalue");

        static_assert(IS_PRVALUE(std::string{}), "EXPR_ must be prvalue");
        static_assert(IS_RVALUE(std::string{}), "EXPR_ must be rvalue");
        static_assert(!IS_LVALUE(std::string{}), "EXPR_ must NOT be lvalue");
    }

lvalue

expression」を参照せよ。

rvalue

expression」を参照せよ。

xvalue

expression」を参照せよ。

prvalue

expression」を参照せよ。

rvalue修飾

下記GetString0()のような関数が返すオブジェクトの内部メンバに対するハンドルは、 オブジェクトのライフタイム終了後にもアクセスすることができるため、 そのハンドルを通じて、 ライフタイム終了後のオブジェクトのメンバオブジェクトにもアクセスできてしまう。

ライフタイム終了後のオブジェクトにアクセスすることは未定義動作であり、 特にそのオブジェクトがrvalueであった場合、さらにその危険性は高まる。

こういったコードに対処するためのシンタックスが、lvalue修飾、rvalue修飾である。

下記GetString1()、GetString3()、GetString4()のようにメンバ関数をlvalue修飾やrvalue修飾することで、 rvalueの内部ハンドルを返さないようにすることが可能となり、上記の危険性を緩和することができる。

    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 91

    class C {
    public:
        explicit C(char const* str) : str_{str} {}

        // lvalue修飾なし、rvalue修飾なし
        std::string& GetString0() noexcept { return str_; }

        // lvalue修飾
        std::string const& GetString1() const& noexcept { return str_; }

        // rvalue修飾
        // *thisがrvalueの場合でのGetString1()の呼び出しは、この関数を呼び出すため、
        // class内部のハンドルを返してはならない。
        // また、それによりstd::stringを生成するため、noexcept指定してはならない。
        std::string GetString1() const&& { return str_; }

        // lvalue修飾だが、const関数はrvalueからでも呼び出せる。
        // rvalueに対しての呼び出しを禁止したい場合には、GetString4のようにする。
        std::string const& GetString2() const& noexcept { return str_; }

        // lvalue修飾
        // 非constなのでrvalueからは呼び出せない。
        std::string const& GetString3() & noexcept { return str_; }

        // lvalue修飾
        std::string const& GetString4() const& noexcept { return str_; }

        // rvalue修飾
        // rvalueからこの関数を呼び出されるとrvalueオブジェクトの内部ハンドルを返してしまい、
        // 危険なので=deleteすべき。
        std::string const& GetString4() const&& = delete;

    private:
        std::string str_;
    };
    //  example/term_explanation/rvalue_lvalue_ut.cpp 132

    auto        c    = C{"c0"};
    auto const& s0_0 = c.GetString0();        // OK cが解放されるまでs0_0は有効
    auto        s0_1 = C{"c1"}.GetString0();  // NG 危険なコード
    // s0_1が指すオブジェクトは、次の行で無効になる

    auto const& s1_0 = c.GetString1();        // OK GetString1()&が呼び出される
    auto const& s1_1 = C{"c1"}.GetString1();  // OK GetString1()&&が呼び出される
    // s1_0が指すrvalueはs1_0がスコープアウトするまで有効

    auto const& s2_0 = c.GetString2();        // OK GetString2()&が呼び出される
    auto const& s2_1 = C{"c1"}.GetString2();  // NG const関数はlvalue修飾しても呼び出し可能
    // s2_1が指すオブジェクトは、次の行で無効になる

    auto const& s3_0 = c.GetString3();  // OK GetString3()&が呼び出される
    // auto const& s3_1 = C{"c1"}.GetString3();  // 危険なのでコンパイルさせない

    auto const& s4_0 = c.GetString4();  // OK GetString4()&が呼び出される
    // auto const& s4_1 = C{"c1"}.GetString4();  // 危険なのでコンパイルさせない

lvalue修飾

rvalue修飾を参照せよ。

リファレンス修飾

rvalue修飾lvalue修飾とを併せて、リファレンス修飾と呼ぶ。

リファレンス

ここでは、C++11から導入された

について解説する。

ユニバーサルリファレンス

関数テンプレートの型パラメータや型推論autoに&&をつけて宣言された変数を、 ユニバーサルリファレンスと呼ぶ(C++17から「forwardingリファレンス」という正式名称が与えられた)。 ユニバーサルリファレンスは一見rvalueリファレンスのように見えるが、 下記に示す通り、lvalueにもrvalueにもバインドできる。

    //  example/term_explanation/universal_ref_ut.cpp 8

    template <typename T>
    void f(T&& t) noexcept  // tはユニバーサルリファレンス
    {
        ...
    }

    template <typename T>
    void g(std::vector<T>&& t) noexcept  // tはrvalueリファレンス
    {
        ...
    }
    //  example/term_explanation/universal_ref_ut.cpp 29

    auto       vec  = std::vector<std::string>{"lvalue"};   // vecはlvalue
    auto const cvec = std::vector<std::string>{"clvalue"};  // cvecはconstなlvalue

    f(vec);                                 // 引数はlvalue
    f(cvec);                                // 引数はconstなlvalue
    f(std::vector<std::string>{"rvalue"});  // 引数はrvalue

    // g(vec);  // 引数がlvalueなのでコンパイルエラー
    // g(cvec); // 引数がconst lvalueなのでコンパイルエラー
    g(std::vector<std::string>{"rvalue"});  // 引数はrvalue

下記のコードはジェネリックラムダの引数をユニバーサルリファレンスにした例である。

    //  example/term_explanation/universal_ref_ut.cpp 47

    // sはユニバーサルリファレンス
    auto value_type = [](auto&& s) noexcept {
        if (std::is_same_v<std::string&, decltype(s)>) {
            return 0;
        }
        if (std::is_same_v<std::string const&, decltype(s)>) {
            return 1;
        }
        if (std::is_same_v<std::string&&, decltype(s)>) {
            return 2;
        }
        return 3;
    };

    auto       str  = std::string{"lvalue"};
    auto const cstr = std::string{"const lvalue"};

    ASSERT_EQ(0, value_type(str));
    ASSERT_EQ(1, value_type(cstr));
    ASSERT_EQ(2, value_type(std::string{"rvalue"}));

通常、ユニバーサルリファレンスはstd::forwardと組み合わせて使用される。

forwardingリファレンス

ユニバーサルリファレンス」を参照せよ。

perfect forwarding

perfect forwarding とは、引数のrvalue性や lvalue性を損失することなく、 その引数を別の関数に転送する技術のことを指す。 通常は、ユニバーサルリファレンスである関数の仮引数をstd::forwardを用いて、 他の関数に渡すことで実現される。

リファレンスcollapsing

Tを任意の型とし、TRを下記のように宣言した場合、

    using TR = T&;

下記のようなコードは、C++03ではコンパイルエラーとなったが、 C++11からはエラーとならず、TRRはT&となる。

    using TRR = TR&;

2つの&を1つに折り畳む、このような機能をリファレンスcollapsingと呼ぶ。

下記はTをintとした場合のリファレンスcollapsingの動きを示している。

    //  example/term_explanation/ref_collapsing_ut.cpp 7

    int i;

    using IR  = int&;
    using IRR = IR&;  // IRRはint& &となり、int&に変換される

    IR  ir  = i;
    IRR irr = ir;

    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(ir)>);   // lvalueリファレンス
    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(irr)>);  // lvalueリファレンス

リファレンスcollapsingは、型エイリアス、型であるテンプレートパラメータ、decltypeに対して行われる。 詳細な変換則は、下記のようになる。

    T& &   -> T&
    T& &&  -> T&
    T&& &  -> T&
    T&& && -> T&&

下記のようなクラステンプレートを定義した場合、

    //  example/term_explanation/ref_collapsing_ut.cpp 26

    template <typename T>
    struct Ref {
        T&  t;
        T&& u;
    };

下記のコードにより、テンプレートパラメータに対するこの変換則を確かめることができる。

    //  example/term_explanation/ref_collapsing_ut.cpp 38

    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(Ref<int>::t)>);    // lvalueリファレンス
    static_assert(std::is_same_v<int&&, decltype(Ref<int>::u)>);   // rvalueリファレンス

    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(Ref<int&>::t)>);   // lvalueリファレンス
    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(Ref<int&>::u)>);   // lvalueリファレンス

    static_assert(std::is_same_v<int&, decltype(Ref<int&&>::t)>);  // lvalueリファレンス
    static_assert(std::is_same_v<int&&, decltype(Ref<int&&>::u)>); // rvalueリファレンス

この機能がないC++03では、

    //  example/term_explanation/ref_collapsing_ut.cpp 52

    template <typename T>
    struct AddRef {
        using type = T&;
    };

ようなクラステンプレートに下記コードのようにリファレンス型を渡すとコンパイルエラーとなる。

    //  example/term_explanation/ref_collapsing_ut.cpp 69

    static_assert(std::is_same_v<int&, AddRef<int&>::type>);

この問題を回避するためには下記のようなテンプレートの特殊化が必要になる。

    //  example/term_explanation/ref_collapsing_ut.cpp 59

    template <typename T>
    struct AddRef<T&> {
        using type = T&;
    };

上記したようなクラステンプレートでのメンバエイリアスの宣言は、 テンプレートメタプログラミング で頻繁に使用されるため、 このようなテンプレートの特殊化を不要にするリファレンスcollapsingは、 有用な機能拡張であると言える。

danglingリファレンス

Dangling リファレンスとは、破棄後のオブジェクトを指しているリファレンスを指す。 このようなリファレンスにアクセスすると、未定義動作に繋がるに繋がる。

    //  example/term_explanation/dangling_ut.cpp 9

    bool X_destructed;
    class X {
    public:
        X() { X_destructed = false; }
        ~X() { X_destructed = true; }
    };

    bool A_destructed;
    class A {
    public:
        A() { A_destructed = false; }
        ~A() { A_destructed = true; }

        X const& GetX() const noexcept { return x_; }

    private:
        X x_;
    };

    //  example/term_explanation/dangling_ut.cpp 34

    auto a = A{};

    auto const& x_safe = a.GetX();  // x_safeはダングリングリファレンスではない
    ASSERT_FALSE(A_destructed || X_destructed);

    auto const& x_dangling = A{}.GetX();  // 次の行でxが指すオブジェクトは解放される
    // この行ではxはdangngling リファレンスになる。
    ASSERT_TRUE(A_destructed && X_destructed);

    auto const* x_ptr_dangling = &A{}.GetX();  // 次の行でxが指すオブジェクトは解放される
    // この行ではxはdangngling ポインタになる。
    ASSERT_TRUE(A_destructed && X_destructed);

danglingポインタ

danglingポインタとは、danglingリファレンスと同じような状態になったポインタを指す。

エクセプション安全性の保証

関数のエクセプション発生時の安全性の保証には以下の3つのレベルが規定されている。

no-fail保証

「no-fail保証」を満たす関数はエクセプションをthrowしない。 no-failを保証する関数は、 noexceptを使用してエクセプションを発生させないことを明示できる。

標準テンプレートクラスのパラメータとして使用するクラスのメンバ関数には、 正確にnoexceptの宣言をしないと、 テンプレートクラスのメンバ関数によってはパフォーマンスを起こしてしまう可能性がある。

強い安全性の保証

「強い保証」を満たす関数は、この関数がエクセプションによりスコープから外れた場合でも、 この関数が呼ばれなかった状態と同じ(プログラムカウンタ以外の状態は同じ)であることを保証する。 従って、この関数呼び出しは成功したか、完全な無効だったかのどちらかになる。

基本的な安全性の保証

「基本的な安全性の保証」を満たす関数は、この関数がエクセプションによりスコープから外れた場合でも、 メモリ等のリソースリークは起こさず、 オブジェクトは(変更されたかもしれないが)引き続き使えることを保証する。

noexcept

C++11で導入されたnoexceptキーワードには、以下の2つの意味がある。

以下に上記のコード例を示す。

    //  example/term_explanation/noexcept_ut.cpp 11

    std::string f_noexcept() noexcept  // エクセプションを発生させない
    {
        return "No exceptions here!";
    }

    std::string f_except() noexcept(false)  // エクセプションを発生させる
    {
        throw std::runtime_error{"always throw"};

        return "No exceptions here!";
    }

    // noexcept or noexcept(false)と宣言しない限りnoexceptでない
    std::string f_except2()  // エクセプションを発生させる
    {
        throw std::runtime_error{"always throw"};

        return "No exceptions here!";
    }
    //  example/term_explanation/noexcept_ut.cpp 37

    static_assert(noexcept(f_noexcept()));  // エクセプションを発生させる可能性の確認
    static_assert(!noexcept(f_except()));   // エクセプションを発生させない可能性の確認
    static_assert(!noexcept(f_except2()));  // エクセプションを発生させない可能性の確認

    ASSERT_EQ(f_noexcept(), "No exceptions here!");  // 動作確認
    ASSERT_THROW(f_except(), std::runtime_error);    // エクセプションの発生確認
    ASSERT_THROW(f_except2(), std::runtime_error);   // エクセプションの発生確認

演算子としてのnoexceptはテンプレートで頻繁に使用されるため、以下にそのような例を示す。

    //  example/term_explanation/noexcept_ut.cpp 50

    class PossiblyThrow {  // オブジェクト生成でエクセプションの発生可能性あり
    public:
        PossiblyThrow() {}
    };

    // テンプレート型Tがnoexceptで生成可能なら、関数もnoexceptにする
    template <typename T>
    void t_f(T const&) noexcept(std::is_nothrow_constructible_v<T>)
    {
        // Tを生成して、何らかの処理を行う
    }
    //  example/term_explanation/noexcept_ut.cpp 67

    auto i = int{};
    auto p = PossiblyThrow{};

    static_assert(!std::is_nothrow_constructible_v<PossiblyThrow>);
    static_assert(std::is_nothrow_constructible_v<decltype(i)>);
    static_assert(noexcept(t_f(i)));
    static_assert(!noexcept(t_f(p)));

exception-unfriendly

以下のような関数

の呼び出しでエクセプションがthrowされると、未定義動作未規定動作が発生するため、 exception-unfriendly(エクセプションに不向き)であるとされる。 従って上記の関数は暗黙的または明示的にnoexceptであることが求められる。

シンタックス、セマンティクス

直訳すれば、シンタックスとは構文論のことであり、セマンティクスとは意味論のことである。 この二つの概念の違いをはっきりと際立たせる有名な文を例示する。

    Colorless green ideas sleep furiously(直訳:無色の緑の考えが猛烈に眠る)

この文は構文的には正しい(シンタックスは問題ない)が、 意味不明である(セマンティクスは誤り)。

C++プログラミングにおいては、コンパイルできることがシンタックス的な正しさであり、例えば

等がセマンティクス的な正しさである。

セマンティクス的に正しいソースコードは読みやすく、保守性、拡張性に優れている。

等価性のセマンティクス

純粋数学での実数の等号(=)は、任意の実数x、y、zに対して、

意味
反射律 x = x
対称律 x = yならばy = x
推移律 x = y且つy = zならばx = z

を満たしている。x = yが成立する場合、「xはyと等しい」もしくは「xはyと同一」であると言う。

C++における組み込みの==も純粋数学の等号と同じ性質を満たしている。 下記のコードは、その性質を表している。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 13

    auto  a = 0;
    auto& b = a;

    ASSERT_TRUE(a == b);
    ASSERT_TRUE(&a == &b);  // aとbは同一

しかし、下記のコード内のa、bは同じ値を持つが、 アドレスが異なるため同一のオブジェクトではないにもかかわらず、組み込みの==の値はtrueとなる。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 23

    auto a = 0;
    auto b = 0;

    ASSERT_TRUE(a == b);
    ASSERT_FALSE(&a == &b);  // aとbは同一ではない

このような場合、aとbは等価であるという。同一ならば等価であるが、等価であっても同一とは限らない。

ポインタや配列をオペランドとする場合を除き、C++における組み込みの==は、 数学の等号とは違い、等価を表していると考えられるが、 上記した3つの律を守っている。従ってオーバーロードoperator==も同じ性質を守る必要がある。

組み込みの==やオーバーロード==演算子のこのような性質をここでは「等価性のセマンティクス」と呼ぶ。

クラスAを下記のように定義し、

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 34

    class A {
    public:
        explicit A(int num, char const* name) noexcept : num_{num}, name_{name} {}

        int         GetNum() const noexcept { return num_; }
        char const* GetName() const noexcept { return name_; }

    private:
        int const   num_;
        char const* name_;
    };

そのoperator==を下記のように定義した場合、

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 51

    inline bool operator==(A const& lhs, A const& rhs) noexcept
    {
        return std::tuple(lhs.GetNum(), lhs.GetName()) == std::tuple(rhs.GetNum(), rhs.GetName());
    }

単体テストは下記のように書けるだろう。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 62

    auto a0 = A{0, "a"};
    auto a1 = A{0, "a"};

    ASSERT_TRUE(a0 == a1);

これは、一応パスするが(処理系定義の動作を前提とするため、必ず動作する保証はない)、 下記のようにすると、パスしなくなる。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 72

    char a0_name[] = "a";
    auto a0        = A{0, a0_name};

    char a1_name[] = "a";
    auto a1        = A{0, a1_name};

    ASSERT_TRUE(a0 == a1);  // テストが失敗する

一般にポインタの等価性は、その値の同一性ではなく、 そのポインタが指すオブジェクトの等価性で判断されるべきであるが、 先に示したoperator==はその考慮をしていないため、このような結果になった。

次に、これを修正した例を示す。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 91

    inline bool operator==(A const& lhs, A const& rhs) noexcept
    {
        return std::tuple(lhs.GetNum(), std::string_view{lhs.GetName()})
               == std::tuple(rhs.GetNum(), std::string_view{rhs.GetName()});
    }

ポインタをメンバに持つクラスのoperator==については、上記したような処理が必要となる。

次に示す例は、基底クラスBaseとそのoperator==である。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 114

    class Base {
    public:
        explicit Base(int b) noexcept : b_{b} {}
        virtual ~Base() = default;
        int GetB() const noexcept { return b_; }

    private:
        int b_;
    };

    inline bool operator==(Base const& lhs, Base const& rhs) noexcept
    {
        return lhs.GetB() == rhs.GetB();
    }

次の単体テストが示す通り、これ自体には問題がないように見える。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 134

    auto b0 = Base{0};
    auto b1 = Base{0};
    auto b2 = Base{1};

    ASSERT_TRUE(b0 == b0);
    ASSERT_TRUE(b0 == b1);
    ASSERT_FALSE(b0 == b2);

しかし、Baseから派生したクラスDerivedを

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 146

    class Derived : public Base {
    public:
        explicit Derived(int d) noexcept : Base{0}, d_{d} {}
        int GetD() const noexcept { return d_; }

    private:
        int d_;
    };

のように定義すると、下記の単体テストで示す通り、等価性のセマンティクスが破壊される。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 160

    {
        auto b = Base{0};
        auto d = Derived{1};

        ASSERT_TRUE(b == d);  // NG bとdは明らかに等価でない
    }
    {
        auto d0 = Derived{0};
        auto d1 = Derived{1};

        ASSERT_TRUE(d0 == d1);  // NG d0とd1は明らかに等価ではない
    }

Derived用のoperator==を

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 177

    bool operator==(Derived const& lhs, Derived const& rhs) noexcept
    {
        return std::tuple(lhs.GetB(), lhs.GetD()) == std::tuple(rhs.GetB(), rhs.GetD());
    }

と定義しても、下記に示す通り部分的な効果しかない。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 187

    auto d0 = Derived{0};
    auto d1 = Derived{1};

    ASSERT_FALSE(d0 == d1);  // OK operator==(Derived const&, Derived const&)の効果で正しい判定

    Base& d0_b_ref = d0;

    ASSERT_TRUE(d0_b_ref == d1);  // NG d0_b_refの実態はd0なのでd1と等価でない

この問題は、「RTTI」使った下記のようなコードで対処できる。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 203

    class Base {
    public:
        explicit Base(int b) noexcept : b_{b} {}
        virtual ~Base() = default;
        int GetB() const noexcept { return b_; }

    protected:
        virtual bool is_equal(Base const& rhs) const noexcept { return b_ == rhs.b_; }

    private:
        int b_;

        friend inline bool operator==(Base const& lhs, Base const& rhs) noexcept
        {
            if (typeid(lhs) != typeid(rhs)) {
                return false;
            }

            return lhs.is_equal(rhs);
        }
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        explicit Derived(int d) : Base{0}, d_{d} {}
        int GetD() const noexcept { return d_; }

    protected:
        virtual bool is_equal(Base const& rhs) const noexcept
        {
            // operator==によりrhsの型はDerivedであるため、下記のキャストは安全
            auto const& rhs_d = static_cast<Derived const&>(rhs);

            return Base::is_equal(rhs) && d_ == rhs_d.d_;
        }

    private:
        int d_;
    };

下記に示す通り、このコードは、 オープン・クローズドの原則(OCP)にも対応した柔軟な構造を実現している。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 270

    class DerivedDerived : public Derived {
    public:
        explicit DerivedDerived(int dd) noexcept : Derived{0}, dd_{dd} {}
        int GetDD() const noexcept { return dd_; }

    protected:
        virtual bool is_equal(Base const& rhs) const noexcept
        {
            // operator==によりrhsの型はDerivedDerivedであるため、下記のキャストは安全
            auto const& rhs_d = static_cast<DerivedDerived const&>(rhs);

            return Derived::is_equal(rhs) && dd_ == rhs_d.dd_;
        }

    private:
        int dd_;
    };

前例では「両辺の型が等しいこと」が「等価であること」の必要条件となるが、 この要件が、すべてのoperator==に求められるわけではない。

次に示すのは、一見すると両辺の型が違うにもかかわらず、 等価性のセマンティクスを満たしている例である。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 320

    auto abc = std::string{"abc"};

    ASSERT_TRUE("abc" == abc);
    ASSERT_TRUE(abc == "abc");

これは、文字列リテラルを第1引数に取るstd::stringのコンストラクタが非explicitであることによって、 文字列リテラルからstd::stringへの暗黙の型変換が起こるために成立する。

以上で見てきたように、等価性のセマンティクスを守ったoperator==の実装には多くの観点が必要になる。

copyセマンティクス

copyセマンティクスとは以下を満たすようなセマンティクスである。

従って、これらのオブジェクトに対して等価性のセマンティクス を満たすoperator==が定義されている場合、 以下を満たすようなセマンティクスであると言い換えることができる。

下記に示す通り、std::stringはcopyセマンティクスを満たしている。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 334

    auto c_str = "string";
    auto str   = std::string{};

    str = c_str;
    ASSERT_TRUE(c_str == str);      // = 後には == が成立している
    ASSERT_STREQ("string", c_str);  // c_strの値は変わっていない

一方で、std::auto_ptrはcopyセマンティクスを満たしていない。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 347

    std::auto_ptr<std::string> str0{new std::string{"string"}};
    std::auto_ptr<std::string> str0_pre{new std::string{"string"}};

    ASSERT_TRUE(*str0 == *str0_pre);  // 前提は成立

    std::auto_ptr<std::string> str1;

    str1 = str0;

    // ASSERT_TRUE(*str0 == *str0_pre);  // これをするとクラッシュする
    ASSERT_TRUE(str0.get() == nullptr);  // str0の値がoperator ==で変わってしまった

    ASSERT_TRUE(*str1 == *str0_pre);  // これは成立

この仕様は極めて不自然であり、std::auto_ptrはC++11で非推奨となり、C++17で規格から排除された。

下記の単体テストから明らかな通り、 「等価性のセマンティクス」で示した最後の例も、copyセマンティクスを満たしていない。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 367

    auto b = Base{1};
    auto d = Derived{1};

    b = d;  // スライシングが起こる

    ASSERT_FALSE(b == d);  // copyセマンティクスを満たしていない

原因は、copy代入でスライシングが起こるためである。

moveセマンティクス

moveセマンティクスとは以下を満たすようなセマンティクスである(operator==が定義されていると前提)。

moveセマンティクスはcopy代入後に使用されなくなるオブジェクト(主にrvalue) からのcopy代入の実行コストを下げるために導入されたため、 下記のようなコードは推奨されない。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 382

    class NotRecommended {
    public:
        NotRecommended(char const* name) : name_{name} {}
        std::string const& Name() const noexcept { return name_; }

        NotRecommended& operator=(NotRecommended&& rhs)  // move代入、非no-fail保証
        {
            name_ = rhs.name_;  // rhs.name_からname_へのcopy代入。パフォーマンス問題になるかも。
            return *this;
        }

    private:
        std::string name_;
    };

    bool operator==(NotRecommended const& lhs, NotRecommended const& rhs) noexcept
    {
        return lhs.Name() == rhs.Name();
    }

    TEST(Semantics, move1)
    {
        auto a = NotRecommended{"a"};
        auto b = NotRecommended{"a"};

        ASSERT_EQ("a", a.Name());
        ASSERT_TRUE(a == b);

        auto c = NotRecommended{"c"};
        ASSERT_EQ("c", c.Name());

        c = std::move(a);
        ASSERT_TRUE(b == c);  // 一応、moveセマンティクスは守っているが・・・
    }

下記のコードのようにメンバの代入もできる限りmove代入を使うことで、 パフォーマンスの良い代入ができる。

    //  example/term_explanation/semantics_ut.cpp 420

    class Recommended {
    public:
        Recommended(char const* name) : name_{name} {}
        std::string const& Name() const noexcept { return name_; }

        Recommended& operator=(Recommended&& rhs) noexcept  // move代入、no-fail保証
        {
            name_ = std::move(rhs.name_);  // rhs.name_からname_へのmove代入
            return *this;
        }

    private:
        std::string name_;
    };

    bool operator==(Recommended const& lhs, Recommended const& rhs) noexcept
    {
        return lhs.Name() == rhs.Name();
    }

    TEST(Semantics, move2)
    {
        auto a = Recommended{"a"};
        auto b = Recommended{"a"};

        ASSERT_EQ("a", a.Name());
        ASSERT_TRUE(a == b);

        auto c = Recommended{"c"};
        ASSERT_EQ("c", c.Name());

        c = std::move(a);     // これ以降aは使ってはならない
        ASSERT_TRUE(b == c);  // moveセマンティクスを正しく守っている
    }

MoveAssignable要件

MoveAssignable要件は、C++において型がムーブ代入をサポートするために満たすべき条件を指す。 ムーブ代入はリソースを効率的に転送する操作であり、以下の条件を満たす必要がある。

  1. リソースの移動
    ムーブ代入では、リソース(動的メモリ等)が代入元から代入先へ効率的に転送される。

  2. 有効だが未定義の状態
    ムーブ代入後、代入元のオブジェクトは有効ではあるが未定義の状態となる。 未定義の状態とは、破棄や再代入が可能である状態を指し、それ以外の操作は保証されない。

  3. 自己代入の安全性
    同一のオブジェクトをムーブ代入する場合でも、未定義動作やリソースリークを引き起こしてはならない。

  4. 効率性
    ムーブ代入は通常、コピー代入よりも効率的であることが求められる。 これは、リソースの複製を避けることで達成される(「moveセマンティクス」参照)。

  5. デフォルト実装
    ムーブ代入演算子が明示的に定義されていない場合でも、 クラスが一定の条件(例: ムーブ不可能なメンバが存在しないこと)を満たしていれば、 コンパイラがデフォルトの実装(「特殊メンバ関数」参照)を生成する。

CopyAssignable要件

CopyAssignable要件は、C++において型がコピー代入をサポートするために満たすべき条件を指す。

  1. 動作が定義されていること
    代入操作は未定義動作を引き起こしてはならない。自己代入(同じオブジェクトを代入する場合)においても正しく動作し、リソースリークを引き起こさないことが求められる。

  2. 値の保持
    代入後、代入先のオブジェクトの値は代入元のオブジェクトの値と一致していなければならない。

  3. 正しいセマンティクス
    コピー代入によって代入元のオブジェクトが変更されてはならない(「copyセマンティクス」参照)。 代入先のオブジェクトが保持していたリソース(例: メモリ)は適切に解放される必要がある。

  4. デフォルト実装
    コピー代入演算子が明示的に定義されていない場合でも、 クラスが一定の条件(例: コピー不可能なメンバが存在しないこと)を満たしていれば、 コンパイラがデフォルトの実装(「特殊メンバ関数」参照)を生成する。

C++その他

型特性キーワード

アライメントとは、 データが効率的にアクセスされるために特定のメモリアドレス境界に配置される規則である。 C++03までの規約では、アライメントのコントロールは実装依存した#pragmaなどで行っていた。

alignasalignofによりコンパイラの標準的な方法でアライメントのコントロールできるようになった。

alignof

C++11で導入されたキーワードで、型のアライメント要求を取得するために使用する。

    //  example/term_explanation/aliging_ut.cpp 12

    struct alignas(16) AlignedStruct {  // メモリ上で16バイト境界にアライメントされる
        char   a;
        double x;
        double y;
    };

    AlignedStruct a;

    uintptr_t address = reinterpret_cast<uintptr_t>(&a);  // aのアドレスを取得

    ASSERT_EQ(address % 16, 0);             // アドレスが16の倍数であることを確認
    ASSERT_EQ(alignof(AlignedStruct), 16);  // アライメントが正しいか確認

alignas

C++11で導入されたキーワードで、メモリのアライメントを指定するために使用する。

    //  example/term_explanation/aliging_ut.cpp 27

    ASSERT_EQ(alignof(long double), 16);  // アライメントが正しいか確認
    ASSERT_EQ(alignof(long long), 8);     // アライメントが正しいか確認
    ASSERT_EQ(alignof(void*), 8);         // アライメントが正しいか確認
    ASSERT_EQ(alignof(int), 4);           // アライメントが正しいか確認

addressof

addressofは、オブジェクトの「実際の」 アドレスを取得するために使用されるC++標準ライブラリのユーティリティ関数である。 通常、オブジェクトのアドレスを取得するには&演算子を使うが、 operator& がオーバーロードされている場合には、 &演算子ではオブジェクトのメモリ上の実際のアドレスを取得できない場合があり得る。 そのような場合にstd::addressofすることにより、 オーバーロードを無視して元のアドレスを確実に取得できる。

    //  example/term_explanation/aliging_ut.cpp 38

    class X {
    public:
        explicit X(int v) : v_{v} {}

        X* operator&()
        {  // `operator&` をオーバーロードしてアドレス取得の挙動を変更
            return nullptr;  // 意図的に nullptr を返す
        }
        operator int() const noexcept { return v_; }

    private:
        int v_;
    };
    //  example/term_explanation/aliging_ut.cpp 54

    X obj{42};

    X* p0 = &obj;  // &演算子で取得するアドレス(オーバーロードされているためnullptr が返る)
    ASSERT_EQ(p0, nullptr);

    // std::addressofとほぼ同じ実装であるラムダ
    auto addressof = [](auto& arg) noexcept {
        return reinterpret_cast<std::remove_reference_t<decltype(arg)>*>(
            &const_cast<char&>(reinterpret_cast<const volatile char&>(arg)));
    };

    // ラムダaddressofを使用して強引にobjのアドレスを取得
    X* p1 = addressof(obj);
    ASSERT_NE(p1, nullptr);

    int* i_ptr = reinterpret_cast<int*>(p1);  // 処理系依存だが、通常の32/64bit環境なら通る
    ASSERT_EQ(42, *i_ptr);

    X* p2 = std::addressof(obj);
    ASSERT_EQ(p1, p2);

演算子のオペランドの評価順位

C++17で、演算子のオペランドに対する評価順序が明確に規定された。 それに対し、C++14までは、演算子のオペランド部分式の評価順序は未規定動作であった。 以下の表で示す演算子に関しては、オペランドaがオペランドbよりも先に評価される。

演算子 説明
a.b メンバアクセス演算子
a->b ポインタメンバアクセス演算子
a->*b メンバポインタアクセス演算子
a(b1, b2, b3) 関数呼び出し、引数リストの評価順序は規定外)
b @= a 代入演算子 = や複合代入演算子。@は+,-,/,&,|など
a[b] 配列アクセス
a << b ビットシフト左演算子
a >> b ビットシフト右演算子

C++11以前では、以下のコードの評価順序は未規定であったが、上記の通り定義された。

    //  example/term_explanation/etc_ut.cpp 22

    int i = 0;
    int y = (i = 1) * x + (i = 2);

    a(b1, b2, b3);  // b1, b2, b3の評価順序は規定外

関数呼び出しにおける引数の式の評価順序は、上記の例a(b1, b2, b3)での評価順序は、 不定順で序列化される。これは、b1, b2, b3 が特定の順序で評価される保証はなく、 例えば b3, b2, b1 の順に評価されたり、 b2, b3, b1 で評価される可能性があることを意味する。 一方で一度評価が開始された場合、部分式間でインターリーブ(交差実行されることはない。 つまり、b1 の評価が完全に終わる前に b2 や b3 の評価が開始されることはない。

条件演算子式condition ? expr1 : expr2については、 最初の部分であるconditionがまず評価される。 conditionの評価結果に基づき、expr1または expr2 のどちらかが選択され、選択された側だけが評価される。

    //  example/term_explanation/etc_ut.cpp 31

    int a      = 1;
    int b      = 2;
    int result = (a < b) ? func1() : func2();

なお、単項演算子のオペランドは1つであるため、優先順位の定義は不要である。

実引数/仮引数

引数(もしくは実引数、argument)、仮引数(parameter)とは下記のように定義される。

    //  example/term_explanation/argument.cpp 2

    int f0(int a, int& b) noexcept  // a, bは仮引数
    {
        ...
    }

    void f1() noexcept
    {
        ...

        f0(x, y);  // x, yは実引数
    }

単純代入

代入は下記のように分類される。

ill-formed

標準規格と処理系に詳しい解説があるが、

プログラムがwell-formedになった場合、そのプログラムはコンパイルできる。 プログラムがill-formedになった場合、通常はコンパイルエラーになるが、 対象がテンプレートの場合、事情は少々異なり、SFINAEによりコンパイルできることもある。

well-formed

ill-formed」を参照せよ。

未定義動作

未定義動作(Undefined Behavior)とは、 C++標準が特定の操作や状況に対して一切の制約を設けないケースである。 未定義動作が発生すると、プログラムの実行結果が予測できなくなり、 何が起こるかはコンパイラや環境によって異なる。 未定義動作を含むコードは、クラッシュやセキュリティの問題を引き起こす可能性がある。

    //  example/term_explanation/undefined_ut.cpp 14

    int a = 42;
    int b = 0;
    int c = a / b;  // 未定義動作 - ゼロ除算

    int arr[]{1, 2, 3};
    int x = arr[index];  // 未定義動作 - index>2の場合、配列範囲外アクセス

未規定動作

未規定動作(Unspecified Behavior)とは、C++標準がある操作の動作を完全には決めておらず、 複数の許容可能な選択肢がある場合でのコードの動作を指す。 未規定動作は、実装ごとに異なる可能性があり、標準は少なくとも「何らかの合理的な結果」を保証する。 つまり、動作が特定の範囲で予測可能だが、正確な挙動が処理系の実装に依存することになる。

    //  example/term_explanation/undefined_ut.cpp 35

    enum class MyEnum : int { Value1 = 1, Value2 = 256 };
    int value = static_cast<int8_t>(MyEnum::Value2);  // 未規定 - 256はint8_tとして表現できない

    auto a      = int{5};
    auto lambda = [](auto a0, auto a1) { return a0 / a1; };
    auto result = lambda(a++, a++);  // 未規定 - 引数評価の順序が決まっていない

未定義動作と未規定動作

種類 定義 結果
未定義動作 C++標準が全く保証しない動作 ゼロ除算、配列範囲外アクセス 予測不能(クラッシュなど)
未規定動作 C++標準が動作を定めていないが、いくつかの選択肢が許容されている動作 int8_t に収まらない値のキャスト 実装依存(異なるが合理的な動作)

被修飾型

被修飾型(unqualified type)とは、変数の宣言において付加される修飾子(const、 volatile など)やポインタやリファレンスなどの間接指定子を除いた素の型を指す。

修飾子(const、volatile)に注視しい場合、cv-被修飾型(cv-unqualified type)という場合もある。

例えば:

定義 被修飾型
const A& a A
volatile B& b B
const T* C C
const D d D

見た目が類似する修飾付き関数呼び出しとは無関係である。

one-definition rule

ODR」を参照せよ。

ODR

ODRとは、One Definition Ruleの略語であり、下記のようなことを定めている。

より詳しい内容がが知りたい場合は、 https://en.cppreference.com/w/cpp/language/definition が参考になる。

RVO(Return Value Optimization)

関数の戻り値がオブジェクトである場合、 戻り値オブジェクトは、その関数の呼び出し元のオブジェクトにコピーされた後、すぐに破棄される。 この「オブジェクトをコピーして、その後すぐにそのオブジェクトを破棄する」動作は、 「関数の戻り値オブジェクトをそのままその関数の呼び出し元で使用する」ことで効率的になる。 RVOとはこのような最適化を指す。

なお、このような最適化は、 C++17から規格化された。

SSO(Small String Optimization)

一般にstd::stringで文字列を保持する場合、newしたメモリが使用される。 64ビット環境であれば、newしたメモリのアドレスを保持する領域は8バイトになる。 std::stringで保持する文字列が終端の’\0’も含め8バイト以下である場合、 アドレスを保持する領域をその文字列の格納に使用すれば、newする必要がない(当然deleteも不要)。 こうすることで、短い文字列を保持するstd::stringオブジェクトは効率的に動作できる。

SOOとはこのような最適化を指す。

heap allocation elision

C++11までの仕様では、new式によるダイナミックメモリアロケーションはコードに書かれた通りに、 実行されなければならず、ひとまとめにしたり省略したりすることはできなかった。 つまり、ヒープ割り当てに対する最適化は認められなかった。 ダイナミックメモリアロケーションの最適化のため、この制限は緩和され、 new/deleteの呼び出しをまとめたり省略したりすることができるようになった。

    //  example/term_explanation/heap_allocation_elision_ut.cpp 4

    void lump()  // 実装によっては、ダイナミックメモリアロケーションをまとめらる場合がある
    {
        int* p1 = new int{1};
        int* p2 = new int{2};
        int* p3 = new int{3};

        // 何らかの処理

        delete p1;
        delete p2;
        delete p3;

        // 上記のメモリアロケーションは、実装によっては下記のように最適化される場合がある

        int* p = new int[3]{1, 2, 3};
        // 何らかの処理

        delete[] p;
    }

    int emit()  // ダイナミックメモリアロケーションの省略
    {
        int* p = new int{10};
        delete p;

        // 上記のメモリアロケーションは、下記の用にスタックの変数に置き換える最適化が許される

        int n = 10;

        return n;
    }

この最適化により、std::make_sharedのようにstd::shared_ptrの参照カウントを管理するメモリブロックと、 オブジェクトの実体を1つのヒープ領域に割り当てることができ、 ダイナミックメモリアロケーションが1回に抑えられるため、メモリアクセスが高速化される。

Most Vexing Parse

Most Vexing Parse(最も困惑させる構文解析)とは、C++の文法に関連する問題で、 Scott Meyersが彼の著書”Effective STL”の中でこの現象に名前をつけたことに由来する。

この問題はC++の文法が関数の宣言と変数の定義とを曖昧に扱うことによって生じる。 特にオブジェクトの初期化の文脈で発生し、意図に反して、その行は関数宣言になってしまう。

    //  example/term_explanation/most_vexing_parse_ut.cpp 6

    class Vexing {
    public:
        Vexing(int) {}
        Vexing() {}
    };

    //  example/term_explanation/most_vexing_parse_ut.cpp 21

    Vexing obj1();        // はローカルオブジェクトobj1の定義ではない
    Vexing obj2(Vexing);  // はローカルオブジェクトobj2の定義ではない
    Vexing(obj3);         // はローカルオブジェクトobj3の定義

    ASSERT_EQ("Vexing ()", Nstd::Type2Str<decltype(obj1)>());
    ASSERT_EQ("Vexing (Vexing)", Nstd::Type2Str<decltype(obj2)>());
    ASSERT_EQ("Vexing", Nstd::Type2Str<decltype(obj3)>());
    // 上記単体テストが示すように、
    //   * obj1はVexingを返す関数
    //   * obj2はVexingを引数に取りVexingを返す関数
    //   * obj3はVexing型のオブジェクト
    // となる。

初期化子リストコンストラクタの呼び出しでオブジェクトの初期化を行うことで、 このような問題を回避できる。

トライグラフ

トライグラフとは、2つの疑問符とその後に続く1文字によって表される、下記の文字列である。

    ??=  ??/  ??'  ??(  ??)  ??!  ??<  ??>  ??-

C++コンパイラ

本ドキュメントで使用するg++/clang++のバージョンは以下のとおりである。

g++

    g++ (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0
    Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc.
    This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
    warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

clang++

    Ubuntu clang version 14.0.0-1ubuntu1
    Target: x86_64-pc-linux-gnu
    Thread model: posix
    InstalledDir: /usr/bin

ソフトウェア一般

フリースタンディング環境

フリースタンディング環境 とは、組み込みソフトウェアやOSのように、その実行にOSの補助を受けられないソフトウエアを指す。

サイクロマティック複雑度

サイクロマティック複雑度 とは関数の複雑さを表すメトリクスである。 このメトリクスの解釈は諸説あるものの、概ね以下のテーブルのようなものである。

サイクロマティック複雑度(CC) 複雑さの状態
CC <= 10 非常に良い構造
11 < CC < 30 やや複雑
31 < CC < 50 構造的なリスクあり
51 < CC テスト不可能、デグレードリスクが非常に高い

凝集度

凝集度 とはクラス設計の妥当性を表す尺度の一種であり、 「凝集度の欠如(LCOM)」というメトリクスで計測される。

    //  example/term_explanation/lack_of_cohesion_ut.cpp 7

    class ABC {
    public:
        explicit ABC(int32_t a, int32_t b, int32_t c) noexcept : a_{a}, b_{b}, c_{c} {}

        int32_t GetA() const noexcept { return a_; }
        int32_t GetB() const noexcept { return b_; }
        int32_t GetC() const noexcept { return c_; }
        void    SetA(int32_t a) noexcept { a_ = a; }
        void    SetB(int32_t b) noexcept { b_ = b; }
        void    SetC(int32_t c) noexcept { c_ = c; }

    private:
        int32_t a_;
        int32_t b_;
        int32_t c_;
    };

良く設計されたクラスは、下記のようにメンバが結合しあっているため凝集度が高い (ただし、「Immutable」の観点からは、QuadraticEquation::Set()がない方が良い)。 言い換えれば、凝集度を落とさずにクラスを分割することは難しい。 なお、上記のLCOM == 9なっているクラスを凝集性を高く、修正した例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/lack_of_cohesion_ut.cpp 26

    class QuadraticEquation {  // 2次方程式
    public:
        explicit QuadraticEquation(int32_t a, int32_t b, int32_t c) noexcept : a_{a}, b_{b}, c_{c} {}

        void Set(int32_t a, int32_t b, int32_t c) noexcept
        {
            a_ = a;
            b_ = b;
            c_ = c;
        }

        int32_t Discriminant() const noexcept  // 判定式
        {
            return b_ * b_ - 4 * a_ * c_;
        }

        bool HasRealNumberSolution() const noexcept { return 0 <= Discriminant(); }

        std::pair<int32_t, int32_t> Solution() const;

    private:
        int32_t a_;
        int32_t b_;
        int32_t c_;
    };

    std::pair<int32_t, int32_t> QuadraticEquation::Solution() const
    {
        if (!HasRealNumberSolution()) {
            throw std::invalid_argument{"solution is an imaginary number"};
        }

        auto a0 = static_cast<int32_t>((-b_ - std::sqrt(Discriminant())) / 2);
        auto a1 = static_cast<int32_t>((-b_ + std::sqrt(Discriminant())) / 2);

        return {a0, a1};
    }

凝集度の欠如

凝集度の欠如(Lack of Cohesion in Methods/LCOM)とは、 クラス設計の妥当性を表す尺度の一種であり、0 ~ 1の値で表すメトリクスである。

LCOMの値が大きい(1か1に近い値)場合、「クラス内のメソッドが互いに関連性を持たず、 それぞれが独立した責務やデータに依存するため、クラス全体の統一性が欠けている」ことを表す。

クラスデザイン見直しの基準値としてLCOMを活用する場合、 LCOMの評価基準に具体的な推奨値を示す。

LCOMの評価基準

クラスデザイン良し悪しの基準値としてLCOMを活用する場合の推奨値を以下に示す。

凝集度の欠如(LCOM) クラスの状態
LCOM <= 0.4 理想的な状態
0.4 < LCOM < 0.6 要注意状態
0.6 <= LCOM 改善必須状態

Spurious Wakeup

Spurious Wakeupとは、 条件変数に対する通知待ちの状態であるスレッドが、その通知がされていないにもかかわらず、 起き上がってしまう現象のことを指す。

下記のようなstd::condition_variableの使用で起こり得る。

    //  example/term_explanation/spurious_wakeup_ut.cpp 8

    namespace {
    std::mutex              mutex;
    std::condition_variable cond_var;
    }  // namespace

    void notify_wrong()  // 通知を行うスレッドが呼び出す関数
    {
        auto lock = std::lock_guard{mutex};

        cond_var.notify_all();  // wait()で待ち状態のスレッドを起こす。
    }

    void wait_wrong()  // 通知待ちスレッドが呼び出す関数
    {
        auto lock = std::unique_lock{mutex};

        // notifyされるのを待つ。
        cond_var.wait(lock);  // notify_allされなくても起き上がってしまうことがある。

        // do something
    }

std::condition_variable::wait()の第2引数を下記のようにすることでこの現象を回避できる。

    //  example/term_explanation/spurious_wakeup_ut.cpp 34

    namespace {
    bool                    event_occured{false};
    std::mutex              mutex;
    std::condition_variable cond_var;
    }  // namespace

    void notify_right()  // 通知を行うスレッドが呼び出す関数
    {
        auto lock = std::lock_guard{mutex};

        event_occured = true;

        cond_var.notify_all();  // wait()で待ち状態のスレッドを起こす。
    }

    void wait_right()  // 通知待ちスレッドが呼び出す関数
    {
        auto lock = std::unique_lock{mutex};

        // notifyされるのを待つ。
        cond_var.wait(lock, []() noexcept { return event_occured; });  // Spurious Wakeup対策

        event_occured = false;

        // do something
    }

副作用

プログラミングにおいて、式の評価による作用には、 主たる作用とそれ以外の 副作用 (side effect)とがある。 式は、評価値を得ること(関数では「引数を受け取り値を返す」と表現する)が主たる作用とされ、 それ以外のコンピュータの論理的状態(ローカル環境以外の状態変数の値)を変化させる作用を副作用という。 副作用の例としては、グローバル変数や静的ローカル変数の変更、 ファイルの読み書き等のI/O実行、等がある。

is-a

「is-a」の関係は、オブジェクト指向プログラミング(OOP) においてクラス間の継承関係を説明する際に使われる概念である。 クラスDerivedとBaseが「is-a」の関係である場合、 DerivedがBaseの派生クラスであり、Baseの特性をDerivedが引き継いでいることを意味する。 C++でのOOPでは、DerivedはBaseのpublic継承として定義される。 通常DerivedやBaseは以下の条件を満たす必要がある。

「is-a」の関係とは「一種の~」と言い換えることができることが多い. ペンギンや九官鳥 は一種の鳥であるため、この関係を使用したコード例を次に示す。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 11

    class bird {
    public:
        //  事前条件: altitude  > 0 でなければならない
        //  事後条件: 呼び出しが成功した場合、is_flyingがtrueを返すことである
        virtual void fly(int altitude)
        {
            if (not(altitude > 0)) {  // 高度(altitude)は0より大きくなければ、飛べない
                throw std::invalid_argument{"altitude error"};
            }
            altitude_ = altitude;
        }

        bool is_flying() const noexcept
        {
            return altitude_ != 0;  // 高度が0でなければ、飛んでいると判断
        }

        virtual ~bird() = default;

    private:
        int altitude_ = 0;
    };

    class kyukancho : public bird {
    public:
        void speak()
        {
            // しゃべるため処理
        }

        // このクラスにget_nameを追加した理由はこの後を読めばわかる
        virtual std::string get_name() const  // その個体の名前を返す
        {
            return "no name";
        }
    };

bird::flyのオーバーライド(penguin::fly)について、 リスコフの置換原則に反した例を下記する。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 50

    class penguin : public bird {
    public:
        void fly(int altitude) override
        {
            if (altitude != 0) {
                throw std::invalid_argument{"altitude error"};
            }
        }
    };

    // ...

    auto let_it_fly = [](bird& b, int altitude) {
        try {
            b.fly(altitude);
        }
        catch (std::exception const&) {
            return 0;  // エクセプションが発生した
        }

        return b.is_flying() ? 2 : 1;  // is_flyingがfalseなら1を返す
    };

    bird    b;
    penguin p;
    ASSERT_EQ(let_it_fly(p, 0), 1);  // パスする
    // birdからpenguinへの派生がリスコフ置換の原則を満たすのであれば、
    // 上記のテストのpをbで置き換えたテストがパスしなければならないが、
    // 実際には逆に下記テストがパスしてしまう
    ASSERT_NE(let_it_fly(b, 0), 1);
    // このことからpenguinへの派生はリスコフ置換の原則を満たさない

birdからpenguinへの派生がリスコフ置換の原則に反してしまった原因は以下のように考えることができる。

penguinとbirdの関係はis-aの関係ではあるが、 上記コードの問題によって不適切なis-aの関係と言わざるを得ない。

上記の例では鳥全般と鳥の種類のis-a関係をpublic継承を使用して表した(一部不適切であるもの)。 さらにis-aの誤った適用例を示す。 自身が飼っている九官鳥に”キューちゃん”と名付けることははよくあることである。 キューちゃんという名前の九官鳥は一種の九官鳥であることは間違いのないことであるが、 このis-aの関係を表すためにpublic継承を使用するのは、is-aの関係の誤用になることが多い。 実際のコード例を以下に示す。この場合、型とインスタンスの概念の混乱が原因だと思われる。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 92

    class q_chan : public kyukancho {
    public:
        std::string get_name() const override { return "キューちゃん"; }
    };

この誤用を改めた例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 114

    class kyukancho {
    public:
        kyukancho(std::string name) : name_{std::move(name)} {}

        std::string const& get_name() const  // 名称をメンバ変数で保持するため、virtualである必要はない
        {
            return name_;
        }

        virtual ~kyukancho() = default;

    private:
        std::string const name_;  // 名称の保持
    };

    // ...

    kyukancho q{"キューちゃん"};

    ASSERT_EQ("キューちゃん", q.get_name());

修正されたKyukancho はstd::string インスタンスをメンバ変数として持ち、 kyukanchoとstd::stringの関係をhas-aの関係と呼ぶ。

has-a

「has-a」の関係は、 あるクラスのインスタンスが別のクラスのインスタンスを構成要素として含む関係を指す。 つまり、あるクラスのオブジェクトが別のクラスのオブジェクトを保持している関係である。

例えば、CarクラスとEngineクラスがあるとする。CarクラスはEngineクラスのインスタンスを含むので、 CarはEngineを「has-a」の関係にあると言える。 通常、has-aの関係はクラス内でメンバ変数またはメンバオブジェクトとして実装される。 Carクラスの例ではCarクラスにはEngine型のメンバ変数が存在する。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 145

    class Engine {
    public:
        void start() {}  // エンジンを始動するための処理
        void stop() {}   // エンジンを停止するための処理

    private:
        // ...
    };

    class Car {
    public:
        Car() : engine_{} {}
        void start() { engine_.start(); }
        void stop() { engine_.stop(); }

    private:
        Engine engine_;  // Car は Engine を持っている(has-a)
    };

is-implemented-in-terms-of

「is-implemented-in-terms-of」の関係は、 オブジェクト指向プログラミング(OOP)において、 あるクラスが別のクラスの機能を内部的に利用して実装されていることを示す概念である。 これは、あるクラスが他のクラスのインターフェースやメソッドを用いて、 自身の機能を提供する場合に使われる。 has-aの関係は、is-implemented-in-terms-of の関係の一種である。

is-implemented-in-terms-ofは下記の手段1-3に示した方法がある。

手段1. public継承によるis-implemented-in-terms-of
手段2. private継承によるis-implemented-in-terms-of
手段3. コンポジションによる(has-a)is-implemented-in-terms-of

手段1-3にはそれぞれ、長所、短所があるため、必要に応じて手段を選択する必要がある。 以下の議論を単純にするため、下記のようにクラスS、C、CCを定める。

コード量の観点から考えた場合、手段1が最も優れていることが多い。 依存関係の複雑さから考えた場合、CはSに強く依存する。 場合によっては、この依存はCCからSへの依存間にも影響をあたえる。 従って、手段3が依存関係を単純にしやすい。 手段1はis-aに見え、以下に示すような問題も考慮する必要があるため、 可読性、保守性を劣化させる可能性がある。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 261

    class MyString : public std::string {  // 手段1
    };

    // ...
    std::string* m_str = new MyString{"str"};

    // このようなpublic継承を行う場合、基底クラスのデストラクタは非virtualであるため、
    // 以下のコードではhmy_stringのデストラクタは呼び出されない。
    // この問題はリソースリークを発生させる場合がある。
    delete m_str;

以上述べたように問題の多い手段1であるが、実践的には有用なパターンであり、 CRTP(curiously recurring template pattern) の実現手段でもあるため、一概にコーディング規約などで排除することもできない。

public継承によるis-implemented-in-terms-of

public継承によるis-implemented-in-terms-ofの実装例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 283

    class MyString : public std::string {};

    // ...
    MyString str{"str"};

    ASSERT_EQ(str[0], 's');
    ASSERT_STREQ(str.c_str(), "str");

    str.clear();
    ASSERT_EQ(str.size(), 0);

すでに述べたようにこの方法は、 private継承によるis-implemented-in-terms-ofや、 コンポジションによる(has-a)is-implemented-in-terms-of と比べコードがシンプルになる。

private継承によるis-implemented-in-terms-of

private継承によるis-implemented-in-terms-ofの実装例を以下に示す。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 180

    class MyString : std::string {
    public:
        using std::string::string;
        using std::string::operator[];
        using std::string::c_str;
        using std::string::clear;
        using std::string::size;
    };

    // ...
    MyString str{"str"};

    ASSERT_EQ(str[0], 's');
    ASSERT_STREQ(str.c_str(), "str");

    str.clear();
    ASSERT_EQ(str.size(), 0);

この方法は、public継承によるis-implemented-in-terms-ofが持つデストラクタ問題は発生せす、 is-aと誤解してしまう問題も発生しない。

コンポジションによる(has-a)is-implemented-in-terms-of

コンポジションによる(has-a)is-implemented-in-terms-ofの実装例を示す。

    //  example/term_explanation/class_relation_ut.cpp 208

    namespace is_implemented_in_terms_of_1 {
    class MyString {
    public:
        // コンストラクタ
        MyString() = default;
        MyString(const std::string& str) : str_(str) {}
        MyString(const char* cstr) : str_(cstr) {}

        // 文字列へのアクセス
        const char* c_str() const { return str_.c_str(); }

        using reference = std::string::reference;
        using size_type = std::string::size_type;

        reference operator[](size_type pos) { return str_[pos]; }

        // その他のメソッドも必要に応じて追加する
        // 以下は例
        std::size_t size() const { return str_.size(); }

        void clear() { str_.clear(); }

        MyString& operator+=(const MyString& rhs)
        {
            str_ += rhs.str_;
            return *this;
        }

    private:
        std::string str_;
    };

    // ...
    MyString str{"str"};

    ASSERT_EQ(str[0], 's');
    ASSERT_STREQ(str.c_str(), "str");

    str.clear();
    ASSERT_EQ(str.size(), 0);

この方は実装を利用するクラストの依存関係を他の2つに比べるとシンプルにできるが、 逆に実装例から昭なとおり、コード量が増えてしまう。

非ソフトウェア用語

割れ窓理論

割れ窓理論とは、 軽微な犯罪も徹底的に取り締まることで、凶悪犯罪を含めた犯罪を抑止できるとする環境犯罪学上の理論。 アメリカの犯罪学者ジョージ・ケリングが考案した。 「建物の窓が壊れているのを放置すると、誰も注意を払っていないという象徴になり、 やがて他の窓もまもなく全て壊される」との考え方からこの名がある。

ソフトウェア開発での割れ窓とは、「朝会に数分遅刻する」、「プログラミング規約を守らない」 等の軽微なルール違反を指し、この理論の実践には、このような問題を放置しないことによって、

等の重要な狙いがある。

車輪の再発明

車輪の再発明 とは、広く受け入れられ確立されている技術や解決法を(知らずに、または意図的に無視して) 再び一から作ること」を指すための慣用句である。 ソフトウェア開発では、STLのような優れたライブラリを使わずに、 それと同様なライブラリを自分たちで実装するような非効率な様を指すことが多い。

演習

本章では、これまで解説した内容の復習やより深い理解のために、 解選択問題とプログラミング記述問題を提供する。

多くのプログラミング記述問題は、 google testを含むC++のソースコードと以下のようなコードコメントで与えれらる。

    // [Q]
    // 以下のXXXをせよ。

この章の構成

   プログラミング規約(型)
   プログラミング規約(クラス)
   プログラミング規約(関数)
   プログラミング規約(構文)
   プログラミング規約(演算子)
   プログラミング規約(スコープ)
   プログラミング規約(その他)
   SOLID
   デザインパターン
   開発プロセスとインフラ(全般)
   テンプレートメタプログラミング

このドキュメントの構成に戻る。


プログラミング規約(型)

演習-汎整数型の選択

演習-汎整数型の演算

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 7
    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, GeneralInteger)
    {
        // [Q]
        // 以下の組み込み型の使用方法は、その下のテストコードを(環境依存で)パスするが、
        // 適切であるとは言えない。適切な型に修正せよ。
        auto b = true;
        int  i{b};
        char c{-1};

        ASSERT_EQ(i * c, -1);
    }

演習-浮動小数点型

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 21
    double f(double a) noexcept { return 1 / a; }

    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, Float)
    {
        // [Q]
        // 以下の両辺を同一と判定するための関数を作り、その関数の単体テストを行え。
        ASSERT_FALSE(1.0 == 1 + 0.001 - 0.001);

        // [Q]
        // 以下の0除算を捕捉するためのコードを書け。
        f(0.0);
    }

演習-定数列挙

演習-enum

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 36
    // [Q]
    // 以下のマクロ引数を型安全なenumに修正せよ

    #define COLOR_RED 0
    #define COLOR_GREEN 1
    #define COLOR_BLUE 2

    std::string GetString(int color)
    {
        switch (color) {
        case COLOR_RED:
            return "Red";
        case COLOR_GREEN:
            return "Green";
        case COLOR_BLUE:
            return "Blue";
        default:
            assert(false);
            return "";
        }
    }

    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, Enum)
    {
        ASSERT_EQ(std::string{"Red"}, GetString(COLOR_RED));
        ASSERT_EQ(std::string{"Green"}, GetString(COLOR_GREEN));
        ASSERT_EQ(std::string{"Blue"}, GetString(COLOR_BLUE));
    }

演習-配列の範囲for文

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 67
    int32_t array_value() noexcept
    {
        static int32_t i;

        return i++;
    }

    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, Array)
    {
        // [Q]
        // 以下の配列の値の設定を範囲for文を使って書き直せ
        int32_t array[10];

        for (auto i = 0U; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i) {
            array[i] = array_value();
        }

        ASSERT_EQ(0, array[0]);
        ASSERT_EQ(3, array[3]);
        ASSERT_EQ(9, array[9]);
    }

演習-エイリアス

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 91
    // [Q]
    // 以下のtypedefをC++11から導入された新しい形式のエイリアスに直せ。
    typedef unsigned char uchar;
    typedef bool (*func_type)(int32_t);

    // [Q]
    // template引数で与えられた型のオブジェクトをstd::vectorで保持するエイリアスtemplateを
    // 定義し、その単体テストを行え。

演習-constの意味

    char const* const country = "japan";

演習-const/constexpr

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 103
    // [Q]
    // 下記のStringHolderに「const/constexprを付加する」等を行い、より良いコードに修正せよ。

    class StringHolder {
    public:
        StringHolder() = default;
        void Add(std::string str)
        {
            if (vector_len_max_ > strings_.size()) {
                strings_.push_back(str);
            }
        }

        std::vector<std::string> GetStrings() const { return strings_; }

    private:
        size_t                   vector_len_max_{3};
        std::vector<std::string> strings_{};
    };

    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, ConstConstexpr)
    {
        auto sh = StringHolder{};

        ASSERT_EQ(std::vector<std::string>{}, sh.GetStrings());

        sh.Add("a");
        sh.Add(std::string{"bc"});
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "bc"}), sh.GetStrings());

        sh.Add("def");
        sh.Add(std::string{"g"});
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "bc", "def"}), sh.GetStrings());
    }

演習-危険なconst_cast

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 140
    // [Q]
    // 下記の"DISABLED_"を削除し、何が起こるのか、なぜそうなるのかを確かめた上で、
    // nameの型やその初期化を行っているコードを修正せよ。
    TEST(DISABLED_ProgrammingConventionQ, ConstConstexpr2)
    {
        char* name = const_cast<char*>("abcdef");

        for (auto i = 0U; name[i] != '\0'; ++i) {
            name[i] = std::toupper(name[i]);
        }

        ASSERT_STREQ("ABCDEF", name);
        ASSERT_EQ("ABCDEF", std::string{name});
    }

演習-リテラル

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 157
    int32_t literal_test(int64_t) noexcept { return 0; }
    int32_t literal_test(int32_t*) noexcept { return 1; }

    // [Q]
    // 下記変数の初期化コードをコメントに基づき適切に修正せよ。
    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, Literal)
    {
        int32_t* p{NULL};                // NULLは使用不可
        uint64_t a{0x1234567890abcdef};  // 適切なセパレータを挿入
        int32_t  b{0x715};               // ビット表現に修正

        // [Q]
        // 下記resultはfalseになるが、その理由を述べ、trueになるようにコードを修正せよ。
        bool const result{(literal_test(NULL) == literal_test(p))};
        ASSERT_FALSE(result);

        ASSERT_EQ(0x1234567890abcdef, a);
        ASSERT_EQ(b, 0x715);
    }

演習-適切なautoの使い方

演習-ポインタの初期化

演習-vector初期化

    vector<int32_t> vec{10};

演習-インスタンスの初期化

    //  exercise/programming_convention_q/type.cpp 179
    TEST(ProgrammingConventionTypeQ, Initialization)
    {
        // [Q]
        // 変数a、b、v、wの定義と初期化を1文で行え。
        {
            int32_t a[3];

            for (auto& r : a) {
                r = 1;
            }

            ASSERT_EQ(1, a[0]);
            ASSERT_EQ(1, a[1]);
            ASSERT_EQ(1, a[2]);
        }
        {
            int32_t b[3];

            for (auto& r : b) {
                r = 0;
            }

            ASSERT_EQ(0, b[0]);
            ASSERT_EQ(0, b[1]);
            ASSERT_EQ(0, b[2]);
        }
        {
            auto v = std::vector<std::string>{3};

            for (auto& r : v) {
                r = "1";
            }

            ASSERT_EQ("1", v[0]);
            ASSERT_EQ("1", v[1]);
            ASSERT_EQ("1", v[2]);
        }
        {
            auto w = std::vector<std::string>{};

            for (auto i = 0; i < 3; ++i) {
                w.emplace_back(std::to_string(i));
            }

            ASSERT_EQ("0", w[0]);
            ASSERT_EQ("1", w[1]);
            ASSERT_EQ("2", w[2]);
        }
    }

プログラミング規約(クラス)

演習-凝集度の意味

演習-凝集度の向上

    //  exercise/programming_convention_q/class.cpp 7
    // [Q]
    // 以下のクラスABCの凝集度が高くなるように、ABC、HasRealNumberSolutionをリファクタリングせよ。
    // その時に、他の問題があればそれも併せて修正せよ。

    class ABC {  // 2次方程式のパラメータ保持
    public:
        ABC(int32_t a, int32_t b, int32_t c) noexcept : a_{a}, b_{b}, c_{c} {}

        int32_t GetA() const { return a_; }
        int32_t GetB() const { return b_; }
        int32_t GetC() const { return c_; }
        void    SetA(int32_t a) { a_ = a; }
        void    SetB(int32_t b) { b_ = b; }
        void    SetC(int32_t c) { c_ = c; }

    private:
        int32_t a_;
        int32_t b_;
        int32_t c_;
    };

    bool HasRealNumberSolution(ABC abc)
    {
        auto const discriminant = abc.GetB() * abc.GetB() - 4 * abc.GetA() * abc.GetC();  // 判定式

        return 0 <= discriminant;
    }

    TEST(ProgrammingConventionClassQ, Cohision)
    {
        {
            auto abc = ABC{1, 2, 1};

            ASSERT_TRUE(HasRealNumberSolution(abc));
        }
        {
            auto abc = ABC{2, 0, 1};

            ASSERT_FALSE(HasRealNumberSolution(abc));
        }
    }

演習-メンバ変数の初期化方法の選択

演習-メンバの型

    class A {
        ...
    private:
        std::string str();     // <- この意味
    };

演習-メンバ変数の初期化

    //  exercise/programming_convention_q/class.cpp 51
    // [Q]
    // 以下のMemberInitのメンバ変数を適切な方法で初期化せよ。

    class MemberInit {
    public:
        MemberInit() noexcept
        {
            a_    = 0;
            b_[0] = 1;
            b_[1] = 1;
            c_    = 2;
        }

        explicit MemberInit(int a) noexcept
        {
            a_    = a;
            b_[0] = a;
            b_[1] = 99;
            c_    = 2;
        }

        int32_t       GetA() noexcept { return a_; }
        int32_t*      GetB() noexcept { return b_; }
        int32_t       GetC() noexcept { return c_; }
        static size_t b_len;

    private:
        int32_t a_;
        int32_t b_[2];
        int32_t c_;
    };
    size_t MemberInit::b_len = 2;

    TEST(ProgrammingConventionClassQ, MemberInit)
    {
        {
            auto mi = MemberInit{};

            ASSERT_EQ(0, mi.GetA());
            ASSERT_EQ(1, mi.GetB()[0]);
            ASSERT_EQ(1, mi.GetB()[1]);
            ASSERT_EQ(2, mi.GetC());
        }
        {
            auto mi = MemberInit{1};

            ASSERT_EQ(1, mi.GetA());
            ASSERT_EQ(1, mi.GetB()[0]);
            ASSERT_EQ(99, mi.GetB()[1]);
            ASSERT_EQ(2, mi.GetC());
        }
    }

演習-スライシング

    //  exercise/programming_convention_q/class.cpp 106
    // [Q]
    // 以下のクラスBaseはオブジェクトのスライシングを引き起こす。
    // このような誤用を起こさないようにするために、Baseオブジェクトのコピーを禁止せよ。
    // 合わせてクラスDerivedも含め、不十分な記述を修正せよ。

    class Base {
    public:
        Base(char const* name = nullptr) noexcept : name_{name == nullptr ? "Base" : name} {}
        ~Base() = default;

        virtual char const* Name0() { return "Base"; }
        char const*         Name1() { return name_; }

    private:
        char const* name_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        Derived() noexcept : Base{"Derived"} {}

        char const* Name0() { return "Derived"; }
    };

    TEST(ProgrammingConventionClassQ, Slicing)
    {
        auto  b     = Base{};
        auto  d     = Derived{};
        Base& d_ref = d;

        // 以下はBase、Derivedの単純なテスト
        ASSERT_STREQ("Base", b.Name0());
        ASSERT_STREQ("Base", b.Name1());
        ASSERT_STREQ("Derived", d_ref.Name0());
        ASSERT_STREQ("Derived", d_ref.Name1());

        // 以下はbがスライスされたオブジェクトであることのテスト
        // こういった誤用を防ぐためにBaseのコピーを禁止せよ。
        b = d_ref;
        ASSERT_STREQ("Base", b.Name0());     // vtblはBaseになるから
        ASSERT_STREQ("Derived", b.Name1());  // name_はコピーされるから
    }

演習-オブジェクトの所有権

    //  exercise/programming_convention_q/class.cpp 151
    class A {
    public:
        explicit A(int32_t n) noexcept : num_{n} { last_constructed_num_ = num_; }
        ~A() { last_destructed_num_ = num_; }

        int32_t GetNum() const noexcept { return num_; }

        static int32_t LastConstructedNum() noexcept { return last_constructed_num_; }
        static int32_t LastDestructedNum() noexcept { return last_destructed_num_; }

    private:
        int32_t        num_;
        static int32_t last_constructed_num_;
        static int32_t last_destructed_num_;
    };

    int32_t A::last_constructed_num_ = -1;
    int32_t A::last_destructed_num_  = -1;

    class X final {
    public:
        void Move(std::unique_ptr<A>&& ptr) noexcept
        {
            ptr_ = std::move(ptr);  // ptr->ptr_へ所有権の移動
        }

        std::unique_ptr<A> Release() noexcept
        {
            return std::move(ptr_);  // ptr_から外部への所有権の移動
        }

        A const* GetA() const noexcept { return ptr_.get(); }
        X()  = default;
        ~X() = default;

    private:
        std::unique_ptr<A> ptr_{};
    };

    TEST(ProgrammingConventionClassQ, Ownership)
    {
        // [Q]
        // 以下の単体テストを完成させよ。
        // ?はインスタンスが入り、?????はTRUEかFALSEが入る。

        ASSERT_EQ(-1, A::LastConstructedNum());     // まだ、A::A()は呼ばれてない
        ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない

        auto a0 = std::make_unique<A>(0);           // a0はA(0)を所有
        auto a1 = std::make_unique<A>(1);           // a1はA(1)を所有
        auto x = X {};

    //  ASSERT_EQ(?, A::LastConstructedNum());      // A(1)は生成された
    //  ASSERT_EQ(?, A::LastDestructedNum());       // まだ、A::~A()は呼ばれてない
    //  ASSERT_EQ(?, a0->GetNum());                 // a0はA(0)を所有
        x.Move(std::move(a0));                      // a0からxへA(0)の所有権の移動
    //  ASSERT_?????(a0);                           // a0は何も所有していない

    //  ASSERT_EQ(?, a1->GetNum());                 // a1はA(1)を所有
        x.Move(std::move(a1));                      // xによるA(0)の解放
                                                    // a1からxへA(1)の所有権の移動
    //  ASSERT_EQ(?, A::LastDestructedNum());       // A(0)は解放された
    //  ASSERT_?????(a1);                           // a1は何も所有していない
    //  ASSERT_EQ(?, x.GetA()->GetNum());           // xはA(1)を所有

        std::unique_ptr<A> a2{x.Release()};         // xからa2へA(1)の所有権の移動
    //  ASSERT_EQ(?, x.GetA());                     // xは何も所有していない
    //  ASSERT_EQ(?, a2->GetNum());                 // a2はA(1)を所有
        {
            std::unique_ptr<A> a3{std::move(a2)};
    //      ASSERT_?????(a2);                       // a2は何も所有していない
    //      ASSERT_EQ(?, a3->GetNum());             // a3はA(1)を所有
        }                                           // a3によるA(1)の解放
    //  ASSERT_EQ(?, A::LastDestructedNum());
    }

プログラミング規約(関数)

演習-非メンバ関数の宣言

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 5
    extern "C" double cos(double x);

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, NonMemberFunc)
    {
        // [Q]
        // 適切な#includeを追加し、上記のextern宣言がなくとも下記がコンパイルできるようにせよ。
        ASSERT_EQ(1, cos(0));
    }

演習-メンバ関数の修飾

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 17
    // [Q]
    // 下記のクラスAのメンバ関数の不正確な記述を修正せよ。
    // また、単体テストを同様に修正せよ。

    class A {
    public:
        A() : strings_{GetStringsDefault()} {}

        void SetStrings(size_t index, std::string str)
        {
            if (index < max_len) {
                strings_[index] = str;
            }
        }

        std::vector<std::string>& GetStrings() { return strings_; }
        std::vector<std::string>  GetStrings() const { return strings_; }
        size_t                    MaxLen() { return max_len; }

        std::vector<std::string>& GetStringsDefault()
        {
            static auto strings_default = std::vector<std::string>{max_len, ""};
            return strings_default;
        }

    private:
        std::vector<std::string> strings_;
        static constexpr size_t  max_len{3};
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, MemberFunc)
    {
        auto a = A{};

        auto strings_default = a.GetStringsDefault();
        ASSERT_EQ("", strings_default[0]);
        ASSERT_EQ("", strings_default[1]);
        ASSERT_EQ("", strings_default[2]);
        ASSERT_EQ(3, a.MaxLen());

        auto strings = a.GetStrings();

        ASSERT_EQ("", strings[0]);
        ASSERT_EQ("", strings[1]);
        ASSERT_EQ("", strings[2]);

        a.SetStrings(1, "TEST");
        ASSERT_EQ("", strings[0]);

        // [Q]
        // このテストをASSERT_EQでパスできるようにせよ
        ASSERT_NE("TEST", strings[1]);

        ASSERT_EQ("", strings[2]);
    }

演習-特殊メンバ関数の削除

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 75
    // [Q]
    // 下記クラスAutoGenのコンパイラが自動生成するメンバ関数を生成しないようにせよ。

    class AutoGen {};

演習-委譲コンストラクタ

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 82
    // [Q]
    // 下記クラスDelConstructorの2つのコンストラクタのコードクローンをできるだけ排除せよ。
    // また、不正確な記述を修正せよ。

    class DelConstructor {
    public:
        DelConstructor(std::string const& str) : str0_{str + "0"}, str1_{str + "1"}, str2_{str + "2"} {}

        DelConstructor(int32_t num)
            : str0_{std::to_string(num) + "_0"},
              str1_{std::to_string(num) + "_1"},
              str2_{std::to_string(num) + "_2"}
        {
        }

        std::string& GetString0() { return str0_; }
        std::string& GetString1() { return str1_; }
        std::string& GetString2() { return str2_; }

    private:
        std::string str0_;
        std::string str1_;
        std::string str2_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, Constructor)
    {
        {
            auto dc = DelConstructor{"hehe"};

            ASSERT_EQ("hehe0", dc.GetString0());
            ASSERT_EQ("hehe1", dc.GetString1());
            ASSERT_EQ("hehe2", dc.GetString2());
        }
        {
            auto dc = DelConstructor{123};

            ASSERT_EQ("123_0", dc.GetString0());
            ASSERT_EQ("123_1", dc.GetString1());
            ASSERT_EQ("123_2", dc.GetString2());
        }
    }

演習-copyコンストラクタ

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 127
    // [Q]
    // 下記クラスIngeter、IntegerHolderに適切にcopyコンストラクタ、copy代入演算子を追加して、
    // 単体テストを行え(DISABLED_削除)。
    class Integer {
    public:
        explicit Integer(int32_t i) noexcept : i_{i} {}

        int32_t GetValue() const noexcept { return i_; }

    private:
        int32_t i_;
    };

    class IntegerHolder {
    public:
        explicit IntegerHolder(int32_t i) : integer_{new Integer{i}} {}

        int32_t GetValue() const noexcept { return integer_->GetValue(); }

        ~IntegerHolder() { delete integer_; }

    private:
        Integer* integer_;
    };

    #ifndef __clang_analyzer__
    TEST(DISABLED_ProgrammingConventionFuncQ, Constructor2)
    {
        {
            auto i = Integer{3};
            ASSERT_EQ(3, i.GetValue());

            auto j = Integer{i};
            ASSERT_EQ(3, j.GetValue());

            auto k = Integer{0};
            ASSERT_EQ(0, k.GetValue());

            k = i;
            ASSERT_EQ(3, k.GetValue());
        }
        {
            auto i = IntegerHolder{3};
            ASSERT_EQ(3, i.GetValue());

            auto j = IntegerHolder{i};
            ASSERT_EQ(3, j.GetValue());

            auto k = IntegerHolder{0};
            ASSERT_EQ(0, k.GetValue());

            k = i;
            ASSERT_EQ(3, k.GetValue());
        }
    }
    #endif

演習-moveコンストラクタ

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 186
    // [Q]
    // 上記問題を解決したIntegerHolderにmoveコンストラクタ、move演算子を追加した
    // クラスIntegerHolder2を作成し、単体テストを行え。

演習-関数分割

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 192
    // [Q]
    // 下記PrimeNumbersは引数で与えられた整数以下の素数を返す関数である。
    // PrimeNumbersの単体テストを作成し、その後、行数を短くする等のリファクタリングを行え。

    std::vector<uint32_t> PrimeNumbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result = std::vector<uint32_t>{};

        if (max_number >= 2) {
            auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
            auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない。
            is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

            do {
                result.emplace_back(prime_num);

                for (auto i = 2 * prime_num; i < is_num_prime.size(); i += prime_num) {
                    is_num_prime[i] = false;
                }

                do {  // 次の素数の探索
                    ++prime_num;
                } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

            } while (prime_num < is_num_prime.size());

            return result;
        }
        else {
            return result;
        }
    }

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, Lines)
    {
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), PrimeNumbers(0));
        // 以下に単体テストを追加
    }

演習-オーバーライド関数の修飾

演習-オーバーライド/オーバーロード

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 233
    // [Q]
    // 下記クラスBase、Derivedの単体テストを完成せよ。

    class Base {
    public:
        virtual ~Base() = default;
        int32_t f() noexcept { return 0; }

        virtual int32_t g() noexcept { return 0; }
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        int32_t f() noexcept { return 1; }

        virtual int32_t g() noexcept override { return 1; }
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, Overload)
    {
        auto  b     = Base{};
        auto  d     = Derived{};
        Base& d_ref = d;

    #if 0
        // 下記?は0もしくは1が入る
        ASSERT_EQ(?, b.f());
        ASSERT_EQ(?, b.g());

        ASSERT_EQ(?, d.f());
        ASSERT_EQ(?, d.g());

        ASSERT_EQ(?, d_ref.f());
        ASSERT_EQ(?, d_ref.g());
    #endif
    }

演習-オーバーロードによる誤用防止

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 272
    // [Q]
    // 下記関数Squareは、引数が浮動小数点となることを想定していない。
    // 誤用を防ぐために、引数に浮動小数点を指定された場合、コンパイルできないようにせよ。
    int32_t Square(int32_t a) noexcept { return a * a; }

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, Overload2)
    {
        ASSERT_EQ(9, Square(3));
        ASSERT_EQ(4, Square(2.5));  // この誤用を防ぐためにコンパイルエラーにせよ。
    }

演習-仮引数の修飾

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 285
    // [Q]
    // 下記AddStringsの仮引数等を適切に修正せよ。
    using Strings = std::list<std::string>;
    void AddStrings(Strings a, Strings* b, Strings* ret)
    {
        *ret = a;

        if (b == nullptr) {
            return;
        }

        ret->insert(ret->end(), b->begin(), b->end());
    }

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, Parameter)
    {
        auto a = Strings{"abc", "d"};
        auto b = Strings{"e", "fgh", "i"};

        auto ret = Strings{};
        AddStrings(a, nullptr, &ret);
        ASSERT_EQ(ret, (Strings{"abc", "d"}));

        AddStrings(a, &b, &ret);
        ASSERT_EQ(ret, (Strings{"abc", "d", "e", "fgh", "i"}));
    }

演習-constexpr関数

    //  exercise/programming_convention_q/func.cpp 314
    // [Q]
    // 下記Factorialをconstexpr関数にせよ。
    uint32_t Factorial(uint32_t a) noexcept
    {
        if (a == 0 || a == 1) {
            return 1;
        }

        auto fact = 1U;

        for (auto i = 2U; i <= a; ++i) {
            fact *= i;
        }

        return fact;
    }

    TEST(ProgrammingConventionFuncQ, ConstexprFunc)
    {
    #if 0  // Factorialはconstexpr関数でないため、下記はコンパイルできない。
        static_assert(1 == Factorial(0), "Factorial fail");
    #endif
        ASSERT_EQ(1, Factorial(0));
        ASSERT_EQ(6, Factorial(3));
        ASSERT_EQ(120, Factorial(5));
        ASSERT_EQ(3628800, Factorial(10));
    }

演習-エクセプションの型

プログラミング規約(構文)

演習-コンテナの範囲for文

    //  exercise/programming_convention_q/syntax.cpp 12
    // [Q]
    // 下記Accumlateのfor文を
    //  * イテレータを使ったfor文を使用したAccumlate2
    //  * 範囲for文を使用したAccumlate3
    // を作り、それらの単体テストを行え。また、その時にその他の不具合があれば合わせて修正せよ。
    std::string Accumlate(std::vector<std::string> strings) noexcept
    {
        auto ret = std::string{};

        for (auto i = 0U; i < strings.size(); ++i) {
            ret += strings[i];
        }

        return ret;
    }

    TEST(ProgrammingConventionSyntaxQ, RangeFor)
    {
        ASSERT_EQ("abcd", Accumlate(std::vector<std::string>{"a", "b", "cd"}));
    }

演習-ラムダ式

    //  exercise/programming_convention_q/syntax.cpp 35
    // [Q]
    // 下記のcopy_ifの第4引数をラムダ式を使って書き直せ。
    bool is_not_size0(std::string const& s) noexcept { return s.size() != 0; }

    TEST(ProgrammingConventionSyntaxQ, Lambda)
    {
        auto data = std::vector<std::string>{"", "abc", "", "d"};

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        std::copy_if(data.cbegin(), data.cend(), std::back_inserter(ret), is_not_size0);
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"abc", "d"}), ret);
    }

演習-ラムダ式のキャプチャ

    //  exercise/programming_convention_q/syntax.cpp 51
    // [Q]
    // 下記Lambda::GetNameLessThan()のラムダ式の問題点を修正し、単体テストを行え。
    class Lambda {
    public:
        explicit Lambda(std::vector<std::string>&& strs) : strs_{std::move(strs)} {}
        std::vector<std::string> GetNameLessThan(uint32_t length) const
        {
            auto ret = std::vector<std::string>{};

            std::copy_if(strs_.cbegin(), strs_.cend(), std::back_inserter(ret),
                         [=](auto const& str) noexcept { return (strs_.size() < length); });

            return ret;
        }

    private:
        std::vector<std::string> strs_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionSyntaxQ, Lambda2)
    {
        auto lambda = Lambda{{"abc", "abcdef", "a"}};

        // 以下に単体テストを追加。
    }

プログラミング規約(演算子)

演習-条件演算子

    //  exercise/programming_convention_q/operator.cpp 6
    // [Q]
    // 下記whichのif文を三項演算子を使用して書き直せ。
    int32_t which(bool left, int32_t lhs, int32_t rhs) noexcept
    {
        if (left) {
            return lhs;
        }
        else {
            return rhs;
        }
    }

    TEST(ProgrammingConventionOperatorQ, OoOperator)
    {
        ASSERT_EQ(3, which(true, 3, 4));
        ASSERT_EQ(4, which(false, 3, 4));
    }

演習-delete

    //  exercise/programming_convention_q/operator.cpp 26
    // [Q]
    // 下記DeleteProblemのメモリ管理の問題を修正し、単体テストを行え(DISABLED_削除)。
    // また、他の問題があれば、合わせて修正せよ。
    class DeleteProblem {
    public:
        DeleteProblem(char const* str0 = nullptr, char const* str1 = nullptr)
        {
            if (str0 != nullptr) {
                str0_ = new std::string{str0};
            }
            if (str1 != nullptr) {
                str1_ = new std::string{str1};
            }
        }

        std::string const* GetStr0() { return str0_; }
        std::string const* GetStr1() { return str1_; }

        ~DeleteProblem()
        {
            delete_str(str0_);
            delete_str(str1_);
        }

    private:
        static void delete_str(void* str)
        {
            if (str != nullptr) {
                delete str;
            }
        }

        std::string* str0_ = nullptr;
        std::string* str1_ = nullptr;
    };

    TEST(DISABLED_ProgrammingConventionOperatorQ, Delete)
    {
        // この単体テストはメモリリークを起こす
        // このメモリリークはmake san-utで検出される
        {
            auto dp = DeleteProblem{};

            ASSERT_EQ(nullptr, dp.GetStr0());
            ASSERT_EQ(nullptr, dp.GetStr1());
        }
        {
            auto dp = DeleteProblem{"abc"};

            ASSERT_EQ("abc", *dp.GetStr0());
            ASSERT_EQ(nullptr, dp.GetStr1());
        }
        {
            auto dp = DeleteProblem{"abc", "de"};

            ASSERT_EQ("abc", *dp.GetStr0());
            ASSERT_EQ("de", *dp.GetStr1());
        }
    }

演習-sizeof

    //  exercise/programming_convention_q/operator.cpp 88
    // [Q]
    // 下記Size1() - Size4()の単体テストを作れ。
    size_t Size0(int32_t a) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size1(int32_t a[10]) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size2(int32_t a[]) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size3(int32_t* a) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size4(int32_t (&a)[10]) noexcept { return sizeof(a); }

    TEST(ProgrammingConventionOperatorQ, Sizeof)
    {
        int32_t array[10]{};

        // Size1() - Size4()の単体テスト
        ASSERT_EQ(sizeof(void*), Size3(array));
    }

演習-dynamic_castの削除

    //  exercise/programming_convention_q/operator.cpp 110
    // [Q]
    // 下記クラスX、Y、ZとGetNameをdynamic_castを使わずに書き直せ。

    class X {
    public:
        virtual ~X() = default;
    };

    class Y : public X {};

    class Z : public X {};

    std::string GetName(X* x)
    {
        if (dynamic_cast<Y*>(x) != nullptr) {
            return "Y";
        }
        if (dynamic_cast<Z*>(x) != nullptr) {
            return "Z";
        }
        if (dynamic_cast<X*>(x) != nullptr) {
            return "X";
        }

        assert(false);
        return "UnKnown";
    }

    TEST(ProgrammingConventionOperatorQ, Cast)
    {
        auto x = X{};
        auto y = Y{};
        auto z = Z{};

        ASSERT_EQ("X", GetName(&x));
        ASSERT_EQ("Y", GetName(&y));
        ASSERT_EQ("Z", GetName(&z));
    }

演習-キャスト

プログラミング規約(スコープ)

演習-usingディレクティブ

プログラミング規約(その他)

演習-アサーションの選択

演習-assert/static_assert

    //  exercise/programming_convention_q/etc.cpp 4
    // [Q]
    // 下記FloatingPointは、Tが浮動小数点型、Tのインスタンスは非0であることを前提としている。
    // 適切にアサーションを挿入して誤用を防げ。

    template <typename T>
    class FloatingPoint {
    public:
        FloatingPoint(T num) noexcept : num_{num} {}
        T Get() const noexcept { return num_; }
        T Reciprocal() const noexcept { return 1 / num_; }

    private:
        T num_;
    };

SOLID

以下の演習問題の単体テストで使用される

    TEST_F(Xxx, Yyy)

のような記述のXxyは、以下のように宣言・定義されている。

    //  exercise/h/solid_ut.h 7

    class SolidFixture : public ::testing::Test {
    protected:
        std::string const test_score_org_     = "../ut_data2/test_score_org.csv";
        std::string const test_score_org_f_   = "../ut_data2/test_score_org_f.csv";
        std::string const test_score_act_     = "../ut_data2/test_score_act.csv";
        std::string const test_score_exp_     = "../ut_data2/test_score_exp.csv";
        std::string const test_score_exp_err_ = "../ut_data2/test_score_exp_err.csv";

        virtual void SetUp() noexcept override { remove_file(test_score_act_); }
        virtual void TearDown() noexcept override { remove_file(test_score_act_); }

        static void remove_file(std::string const& filename) noexcept
        {
            if (std::filesystem::exists(filename)) {
                std::filesystem::remove(filename);
            }
        }
    };

    class SolidSRP_Q : public SolidFixture {};
    class SolidOCP_Q : public SolidFixture {};
    class SolidLSP_Q : public SolidFixture {};
    class SolidISP_Q : public SolidFixture {};
    class SolidDIP_Q : public SolidFixture {};

    class SolidSRP_A : public SolidFixture {};
    class SolidOCP_A : public SolidFixture {};
    class SolidLSP_A : public SolidFixture {};
    class SolidISP_A : public SolidFixture {};
    class SolidDIP_A : public SolidFixture {};

演習-SRP

    //  exercise/solid_q/srp_test_score.h 8
    // [Q]
    // 下記クラスTestScoreはメンバにする必要のない関数までメンバにしてるため、
    // インターフェースが肥大化してしまい、少なくともSRPに反している。
    // メンバにする必要のないStoreCSVを外部関数にせよ。
    // また、受験者の平均点を求める
    //      TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    // を同様の方法で作り、単体テストを行え。

    class TestScore {
    public:
        TestScore()                            = default;
        TestScore(TestScore const&)            = default;
        TestScore& operator=(TestScore const&) = delete;

        using ScoreAll_t = std::map<std::string, std::vector<int32_t>>;
        using ScoreOne_t = std::vector<std::pair<std::string, int32_t>>;

        void                        AddScore(ScoreOne_t const& one_test_score);
        std::vector<int32_t> const& GetScore(std::string const& name) const
        {
            return test_score_row_.at(name);
        }

        void StoreCSV(std::string const& filename) const;
        void LoadCSV(std::string const& filename);

        ScoreAll_t::const_iterator begin() const noexcept { return test_score_row_.begin(); }
        ScoreAll_t::const_iterator end() const noexcept { return test_score_row_.end(); }

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、-1は未受験、それ以外は不正データ
        void       validate_score(int32_t score) const;
        ScoreAll_t test_score_row_{};
    };

    std::string ToString(TestScore const& ts);
    //  exercise/solid_q/srp_test_score.cpp 10

    namespace {
    std::pair<std::string, std::vector<int32_t>> parse_line(std::string const& line)
    {
        auto const csv_sep = std::regex{R"( *, *)"};
        auto       name    = std::string{};
        auto       score   = std::vector<int32_t>{};

        auto end = std::sregex_token_iterator{};
        for (auto it = std::sregex_token_iterator{line.begin(), line.end(), csv_sep, -1}; it != end;
             ++it) {
            if (name.length() == 0) {
                name = *it;
            }
            else {
                auto s = std::stoi(*it);
                score.emplace_back(s);
            }
        }

        return {std::move(name), std::move(score)};
    }
    }  // namespace

    void TestScore::validate_score(int32_t score) const
    {
        auto highest = 100;
        auto lowest  = 0;
        auto invalid = -1;

        if (lowest <= score && score <= highest) {
            ;  // do notihng
        }
        else if (invalid == score) {
            ;  // do notihng
        }
        else {
            throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
        }
    }

    void TestScore::AddScore(TestScore::ScoreOne_t const& one_test_score)
    {
        for (auto const& pair : one_test_score) {
            validate_score(pair.second);
        }

        if (test_score_row_.size() == 0) {
            test_score_row_[one_test_score[0].first] = std::vector<int32_t>{};
        }

        for (auto& pair : test_score_row_) {
            pair.second.push_back(-1);
        }

        auto curr_test_count = test_score_row_.begin()->second.size();

        for (auto const& pair : one_test_score) {
            if (test_score_row_.find(pair.first) == test_score_row_.end()) {
                test_score_row_[pair.first] = std::vector<int32_t>(curr_test_count, -1);
            }

            test_score_row_[pair.first].back() = pair.second;
        }
    }

    void TestScore::LoadCSV(std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            for (auto const s : pair.second) {
                validate_score(s);
            }
        }

        test_score_row_.swap(test_score_raw);
    }

    void TestScore::StoreCSV(std::string const& filename) const
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score_row_) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    std::string ToString(TestScore const& ts)
    {
        auto ss = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : ts) {
            ss << pair.first << ':';
            for (auto const& s : pair.second) {
                ss << ' ' << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        return ss.str();
    }
    //  exercise/solid_q/srp_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidSRP_Q, TestScore_LoadCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const exp_str = std::string{
            "堂林: -1 50 80\n広輔: 40 30 10\n會澤: 30 60 70\n"
            "松山: 80 90 50\n菊池: 50 20 80\n鈴木: 0 80 100\n"};
        ASSERT_EQ(ToString(ts), exp_str);
    }

    std::string whole_file(std::string const& filename)
    {
        auto ifs = std::ifstream{filename};

        return std::string{std::istreambuf_iterator<char>{ifs}, std::istreambuf_iterator<char>{}};
    }

    TEST_F(SolidSRP_Q, TestScore_AddScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const one_score = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 40),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 70),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", -1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 5),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("田中", 100),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("西川", 90),
        };

        ts.AddScore(one_score);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10, 40}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50, 1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80, -1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100, 5}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("田中", {-1, -1, -1, 100}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("西川", {-1, -1, -1, 90}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const one_score_err = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("野村", -2),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("衣笠", 40),
        };

        // 不正データロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.AddScore(one_score_err), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidSRP_Q, TestScore_GetScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const& score_0 = ts.GetScore("堂林");
        ASSERT_EQ((std::vector{-1, 50, 80}), score_0);

        auto const& score_1 = ts.GetScore("広輔");
        ASSERT_EQ((std::vector{40, 30, 10}), score_1);

        auto const& score_2 = ts.GetScore("會澤");
        ASSERT_EQ((std::vector{30, 60, 70}), score_2);

        auto const& score_3 = ts.GetScore("松山");
        ASSERT_EQ((std::vector{80, 90, 50}), score_3);

        auto const& score_4 = ts.GetScore("菊池");
        ASSERT_EQ((std::vector{50, 20, 80}), score_4);

        auto const& score_5 = ts.GetScore("鈴木");
        ASSERT_EQ((std::vector{0, 80, 100}), score_5);

        ASSERT_THROW(ts.GetScore("西川"), std::out_of_range);
    }

    TEST_F(SolidSRP_Q, TestScore_StoreCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);
        ts.StoreCSV(test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.LoadCSV(test_score_exp_err_), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }
    }  // namespace

演習-OCP

    //  exercise/solid_q/ocp_test_score.h 8
    // [Q]
    // 下記クラスTestScoreは、
    //      * テスト受講者とその点数を保持/提供する。
    //      * テスト受講者とその点数をCSVファイルからロードする。
    // 責任を持つ。サポートするファイル形式が増えた場合、このクラスを修正せざるを得ないため、
    // 機能拡張に対して開いていない。つまり、OCPに反していると言える
    // (実際にはこの程度の違反が問題になることは稀である)。
    //
    // サポートしているファイル形式はCSVのみであったが、TSVを追加することになった。
    // 今後もサポートするファイル形式を増やす必要があるため、OCPに従った方が良いと判断し、
    // TestScoreの責務から「ファイルのロード」を外し、その機能を外部関数として定義することにした。
    // これに従い、下記クラスTestScoreを修正し、外部関数
    //      void LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score);
    // を作り、単体テストを行え。

    class TestScore {
    public:
        TestScore()                            = default;
        TestScore(TestScore const&)            = default;
        TestScore& operator=(TestScore const&) = delete;

        using ScoreAll_t = std::map<std::string, std::vector<int32_t>>;
        using ScoreOne_t = std::vector<std::pair<std::string, int32_t>>;

        void                        AddScore(ScoreOne_t const& one_test_score);
        std::vector<int32_t> const& GetScore(std::string const& name) const
        {
            return test_score_row_.at(name);
        }

        void LoadCSV(std::string const& filename);

        ScoreAll_t::const_iterator begin() const noexcept { return test_score_row_.begin(); }
        ScoreAll_t::const_iterator end() const noexcept { return test_score_row_.end(); }

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、-1は未受験、それ以外は不正データ
        void       validate_score(int32_t score) const;
        ScoreAll_t test_score_row_{};
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    //  exercise/solid_q/ocp_test_score.cpp 10

    namespace {
    std::pair<std::string, std::vector<int32_t>> parse_line(std::string const& line)
    {
        auto const csv_sep = std::regex{R"( *, *)"};
        auto       name    = std::string{};
        auto       score   = std::vector<int32_t>{};

        auto end = std::sregex_token_iterator{};
        for (auto it = std::sregex_token_iterator{line.begin(), line.end(), csv_sep, -1}; it != end;
             ++it) {
            if (name.length() == 0) {
                name = *it;
            }
            else {
                auto s = std::stoi(*it);
                score.emplace_back(s);
            }
        }

        return {std::move(name), std::move(score)};
    }

    bool is_valid_score(int32_t score) noexcept { return 0 <= score && score <= 100; }

    bool not_score(int32_t score) noexcept { return score == -1; }
    }  // namespace

    void TestScore::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score) || not_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    void TestScore::AddScore(TestScore::ScoreOne_t const& one_test_score)
    {
        for (auto const& pair : one_test_score) {
            validate_score(pair.second);
        }

        if (test_score_row_.size() == 0) {
            test_score_row_[one_test_score[0].first] = std::vector<int32_t>{};
        }

        for (auto& pair : test_score_row_) {
            pair.second.push_back(-1);
        }

        auto curr_test_count = test_score_row_.begin()->second.size();

        for (auto const& pair : one_test_score) {
            if (test_score_row_.find(pair.first) == test_score_row_.end()) {
                test_score_row_[pair.first] = std::vector<int32_t>(curr_test_count, -1);
            }

            test_score_row_[pair.first].back() = pair.second;
        }
    }

    void TestScore::LoadCSV(std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = TestScore::ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            for (auto const s : pair.second) {
                validate_score(s);
            }
        }

        test_score_row_.swap(test_score_raw);
    }

    void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    std::string ToString(TestScore const& ts)
    {
        auto ss = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : ts) {
            ss << pair.first << ':';
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ' ' << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        return ss.str();
    }

    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score)
    {
        auto ret = TestScore::ScoreOne_t{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            auto sum         = 0;
            auto valid_count = 0U;
            for (auto const s : pair.second) {
                if (is_valid_score(s)) {
                    sum += s;
                    ++valid_count;
                }
            }
            ret.emplace_back(std::make_pair(pair.first, valid_count == 0 ? -1 : sum / valid_count));
        }

        return ret;
    }
    //  exercise/solid_q/ocp_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidOCP_Q, TestScore_LoadCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const exp_str = std::string{
            "堂林: -1 50 80\n広輔: 40 30 10\n會澤: 30 60 70\n"
            "松山: 80 90 50\n菊池: 50 20 80\n鈴木: 0 80 100\n"};
        ASSERT_EQ(ToString(ts), exp_str);
    }

    std::string whole_file(std::string const& filename)
    {
        auto ifs = std::ifstream{filename};

        return std::string{std::istreambuf_iterator<char>{ifs}, std::istreambuf_iterator<char>{}};
    }

    TEST_F(SolidOCP_Q, TestScore_AddScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const one_score = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 40),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 70),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", -1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 5),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("田中", 100),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("西川", 90),
        };

        ts.AddScore(one_score);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10, 40}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50, 1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80, -1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100, 5}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("田中", {-1, -1, -1, 100}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("西川", {-1, -1, -1, 90}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const one_score_err = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("野村", -2),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("衣笠", 40),
        };

        // 不正データロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.AddScore(one_score_err), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidOCP_Q, TestScore_GetScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const& score_0 = ts.GetScore("堂林");
        ASSERT_EQ((std::vector{-1, 50, 80}), score_0);

        auto const& score_1 = ts.GetScore("広輔");
        ASSERT_EQ((std::vector{40, 30, 10}), score_1);

        auto const& score_2 = ts.GetScore("會澤");
        ASSERT_EQ((std::vector{30, 60, 70}), score_2);

        auto const& score_3 = ts.GetScore("松山");
        ASSERT_EQ((std::vector{80, 90, 50}), score_3);

        auto const& score_4 = ts.GetScore("菊池");
        ASSERT_EQ((std::vector{50, 20, 80}), score_4);

        auto const& score_5 = ts.GetScore("鈴木");
        ASSERT_EQ((std::vector{0, 80, 100}), score_5);

        ASSERT_THROW(ts.GetScore("西川"), std::out_of_range);
    }

    TEST_F(SolidOCP_Q, TestScore_StoreCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);
        StoreCSV(ts, test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.LoadCSV(test_score_exp_err_), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidOCP_Q, TestScore_Average)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 65),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 26),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 53),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 73),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 60),
        };
        auto act = Average(ts);

        ASSERT_EQ(act, exp);
    }
    }  // namespace

演習-LSP

    //  exercise/solid_q/lsp_test_score.h 8
    // [Q]
    // 下記クラスTestScoreが管理するテストのスコアの値は、
    //      * 0~100   テストのスコア
    //      *-1        未受験
    //      * それ以外 不正値であるため、このデータを入力すると
    //                 std::out_of_rangeエクセプションが発生する。
    // を表すが、未受講を許可しない仕様(受験できない場合のスコアは0点)の
    // TestScoreForceも必要になったため下記のように定義した。
    //      * TestScoreForceが管理するテストのスコアの値は
    //           * 0~100   テストのスコア
    //           * それ以外 不正値であるため、このデータを入力すると
    //                      std::out_of_rangeエクセプションが発生する。
    //      * それ以外の動作はTestScoreと同じ。
    //  これは、事前条件(「-1~100を受け入れる」から「0~100を受け入れる」)の強化であるため、
    //  LSPに反する。
    //  これにより起こる問題点を単体テストを用いて指摘せよ。
    //
    // [Q]
    // 上記問題を解決するため、クラスTestScoreForceFixedを作り単体テストを行え。

    class TestScore {
    public:
        TestScore()                            = default;
        virtual ~TestScore()                   = default;
        TestScore(TestScore const&)            = default;
        TestScore& operator=(TestScore const&) = delete;
        TestScore& operator=(TestScore&&)      = default;

        using ScoreAll_t = std::map<std::string, std::vector<int32_t>>;
        using ScoreOne_t = std::vector<std::pair<std::string, int32_t>>;

        void                        AddScore(ScoreOne_t const& one_test_score);
        std::vector<int32_t> const& GetScore(std::string const& name) const
        {
            return test_score_row_.at(name);
        }

        ScoreAll_t::const_iterator begin() const noexcept { return test_score_row_.begin(); }
        ScoreAll_t::const_iterator end() const noexcept { return test_score_row_.end(); }

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、-1は未受験、それ以外は不正データ
        virtual void validate_score(int32_t score) const;
        ScoreAll_t   test_score_row_{};
    };

    class TestScoreForce : public TestScore {
    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、それ以外は不正データ
        virtual void validate_score(int32_t score) const override;
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    void                  LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    //  exercise/solid_q/lsp_test_score.cpp 10

    namespace {
    std::pair<std::string, std::vector<int32_t>> parse_line(std::string const& line)
    {
        auto const csv_sep = std::regex{R"( *, *)"};
        auto       name    = std::string{};
        auto       score   = std::vector<int32_t>{};

        auto end = std::sregex_token_iterator{};
        for (auto it = std::sregex_token_iterator{line.begin(), line.end(), csv_sep, -1}; it != end;
             ++it) {
            if (name.length() == 0) {
                name = *it;
            }
            else {
                auto s = std::stoi(*it);
                score.emplace_back(s);
            }
        }

        return {std::move(name), std::move(score)};
    }

    bool is_valid_score(int32_t score) noexcept { return 0 <= score && score <= 100; }

    bool not_score(int32_t score) noexcept { return score == -1; }
    }  // namespace

    void TestScore::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score) || not_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    void TestScoreForce::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    void TestScore::AddScore(TestScore::ScoreOne_t const& one_test_score)
    {
        for (auto const& pair : one_test_score) {
            validate_score(pair.second);
        }

        if (test_score_row_.size() == 0) {
            test_score_row_[one_test_score[0].first] = std::vector<int32_t>{};
        }

        for (auto& pair : test_score_row_) {
            pair.second.push_back(-1);
        }

        auto curr_test_count = test_score_row_.begin()->second.size();

        for (auto const& pair : one_test_score) {
            if (test_score_row_.find(pair.first) == test_score_row_.end()) {
                test_score_row_[pair.first] = std::vector<int32_t>(curr_test_count, -1);
            }

            test_score_row_[pair.first].back() = pair.second;
        }
    }

    void LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = TestScore::ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        auto one_test = TestScore::ScoreOne_t{};
        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            one_test.emplace_back(std::make_pair(pair.first, 0));
        }

        auto const score_count = test_score_raw.begin()->second.size();
        auto       ts          = TestScore{};

        for (auto i = 0U; i < score_count; ++i) {
            for (auto& pair : one_test) {
                pair.second = test_score_raw[pair.first][i];
            }
            ts.AddScore(one_test);
        }

        test_score = std::move(ts);
    }

    void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    std::string ToString(TestScore const& ts)
    {
        auto ss = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : ts) {
            ss << pair.first << ':';
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ' ' << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        return ss.str();
    }

    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score)
    {
        auto ret = TestScore::ScoreOne_t{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            auto sum         = 0;
            auto valid_count = 0U;
            for (auto const s : pair.second) {
                if (is_valid_score(s)) {
                    sum += s;
                    ++valid_count;
                }
            }
            ret.emplace_back(std::make_pair(pair.first, valid_count == 0 ? -1 : sum / valid_count));
        }

        return ret;
    }
    //  exercise/solid_q/lsp_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidLSP_Q, TestScore_LoadCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto exp_str = std::string{
            "堂林: -1 50 80\n広輔: 40 30 10\n會澤: 30 60 70\n"
            "松山: 80 90 50\n菊池: 50 20 80\n鈴木: 0 80 100\n"};
        ASSERT_EQ(ToString(ts), exp_str);
    }

    std::string whole_file(std::string const& filename)
    {
        auto ifs = std::ifstream{filename};

        return std::string{std::istreambuf_iterator<char>{ifs}, std::istreambuf_iterator<char>{}};
    }

    TEST_F(SolidLSP_Q, TestScore_AddScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        auto const one_score = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 40),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 70),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", -1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 5),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("田中", 100),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("西川", 90),
        };

        ts.AddScore(one_score);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10, 40}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50, 1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80, -1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100, 5}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("田中", {-1, -1, -1, 100}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("西川", {-1, -1, -1, 90}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const one_score_err = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("野村", -2),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("衣笠", 40),
        };

        // 不正データロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.AddScore(one_score_err), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidLSP_Q, TestScore_GetScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        auto const& score_0 = ts.GetScore("堂林");
        ASSERT_EQ((std::vector{-1, 50, 80}), score_0);

        auto const& score_1 = ts.GetScore("広輔");
        ASSERT_EQ((std::vector{40, 30, 10}), score_1);

        auto const& score_2 = ts.GetScore("會澤");
        ASSERT_EQ((std::vector{30, 60, 70}), score_2);

        auto const& score_3 = ts.GetScore("松山");
        ASSERT_EQ((std::vector{80, 90, 50}), score_3);

        auto const& score_4 = ts.GetScore("菊池");
        ASSERT_EQ((std::vector{50, 20, 80}), score_4);

        auto const& score_5 = ts.GetScore("鈴木");
        ASSERT_EQ((std::vector{0, 80, 100}), score_5);

        ASSERT_THROW(ts.GetScore("西川"), std::out_of_range);
    }

    TEST_F(SolidLSP_Q, TestScore_StoreCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);
        StoreCSV(ts, test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(LoadCSV(test_score_exp_err_, ts2), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidLSP_Q, TestScore_Average)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        auto const exp = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 65),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 26),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 53),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 73),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 60),
        };
        auto act = Average(ts);

        ASSERT_EQ(act, exp);
    }
    }  // namespace

演習-ISP

    //  exercise/solid_q/isp_test_score.h 8
    // [Q]
    // 下記クラスTestScoreの管理データの内、受験者とその平均スコア、
    // 平均スコアの高い順でソートされた受験者リストを扱うクラスが必要になったため、
    // 下記のようにイミュータブルなクラスTestScoreAverageを作成した。
    //
    // 現在のファイル構成では、TestScoreAverageのみを使うクラスや関数にも、
    // このファイル全体への依存を強いる(つまり、TestScoreやLoadCSV等に依存させる)ため、
    // ISPに反する。
    // TestScoreAverageを使うクラスや関数に余計な依存関係が発生しないようにリファクタリングを
    // 行え。

    class TestScore {
    public:
        TestScore()                            = default;
        TestScore(TestScore const&)            = default;
        TestScore& operator=(TestScore const&) = delete;
        TestScore& operator=(TestScore&&)      = default;

        using ScoreAll_t = std::map<std::string, std::vector<int32_t>>;
        using ScoreOne_t = std::vector<std::pair<std::string, int32_t>>;

        void                        AddScore(ScoreOne_t const& one_test_score);
        std::vector<int32_t> const& GetScore(std::string const& name) const
        {
            return test_score_row_.at(name);
        }

        ScoreAll_t::const_iterator begin() const noexcept { return test_score_row_.begin(); }
        ScoreAll_t::const_iterator end() const noexcept { return test_score_row_.end(); }

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、-1は未受験、それ以外は不正データ
        void       validate_score(int32_t score) const;
        ScoreAll_t test_score_row_{};
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    TestScore             LoadCSV(std::string const& filename);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);

    class TestScoreAverage {
    public:
        explicit TestScoreAverage(std::string const& filename);
        uint32_t                        GetAverage(std::string const& name) const;
        std::vector<std::string> const& DescendingOrder() const;

    private:
        TestScore::ScoreOne_t const      average_;
        mutable std::vector<std::string> desending_order_{};
    };
    //  exercise/solid_q/isp_test_score.cpp 10

    namespace {
    std::pair<std::string, std::vector<int32_t>> parse_line(std::string const& line)
    {
        auto const csv_sep = std::regex{R"( *, *)"};
        auto       name    = std::string{};
        auto       score   = std::vector<int32_t>{};

        auto end = std::sregex_token_iterator{};
        for (auto it = std::sregex_token_iterator{line.begin(), line.end(), csv_sep, -1}; it != end;
             ++it) {
            if (name.length() == 0) {
                name = *it;
            }
            else {
                auto s = std::stoi(*it);
                score.emplace_back(s);
            }
        }

        return {std::move(name), std::move(score)};
    }

    bool is_valid_score(int32_t score) noexcept { return 0 <= score && score <= 100; }

    bool not_score(int32_t score) noexcept { return score == -1; }
    }  // namespace

    void TestScore::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score) || not_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    void TestScore::AddScore(TestScore::ScoreOne_t const& one_test_score)
    {
        for (auto const& pair : one_test_score) {
            validate_score(pair.second);
        }

        if (test_score_row_.size() == 0) {
            test_score_row_[one_test_score[0].first] = std::vector<int32_t>{};
        }

        for (auto& pair : test_score_row_) {
            pair.second.push_back(-1);
        }

        auto curr_test_count = test_score_row_.begin()->second.size();

        for (auto const& pair : one_test_score) {
            if (test_score_row_.find(pair.first) == test_score_row_.end()) {
                test_score_row_[pair.first] = std::vector<int32_t>(curr_test_count, -1);
            }

            test_score_row_[pair.first].back() = pair.second;
        }
    }

    TestScore LoadCSV(std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = TestScore::ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        auto one_test = TestScore::ScoreOne_t{};
        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            one_test.emplace_back(std::make_pair(pair.first, 0));
        }

        auto const score_count = test_score_raw.begin()->second.size();
        auto       ts          = TestScore{};

        for (auto i = 0U; i < score_count; ++i) {
            for (auto& pair : one_test) {
                pair.second = test_score_raw[pair.first][i];
            }
            ts.AddScore(one_test);
        }

        return ts;
    }

    void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    std::string ToString(TestScore const& ts)
    {
        auto ss = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : ts) {
            ss << pair.first << ':';
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ' ' << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        return ss.str();
    }

    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score)
    {
        auto ret = TestScore::ScoreOne_t{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            auto sum         = 0;
            auto valid_count = 0U;
            for (auto const s : pair.second) {
                if (is_valid_score(s)) {
                    sum += s;
                    ++valid_count;
                }
            }
            ret.emplace_back(std::make_pair(pair.first, valid_count == 0 ? -1 : sum / valid_count));
        }

        return ret;
    }

    namespace {
    TestScore::ScoreOne_t get_average(std::string const& filename)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(filename);

        return Average(ts);
    }
    }  // namespace

    TestScoreAverage::TestScoreAverage(std::string const& filename) : average_{get_average(filename)} {}

    uint32_t TestScoreAverage::GetAverage(std::string const& name) const
    {
        auto pos = std::find_if(average_.cbegin(), average_.cend(),
                                [&name](std::pair<std::string, int32_t> const& pair) noexcept {
                                    return name == pair.first;
                                });

        if (pos == average_.cend()) {
            throw std::out_of_range{"no member"};
        }

        return pos->second;
    }

    std::vector<std::string> const& TestScoreAverage::DescendingOrder() const
    {
        if (desending_order_.size() != 0) {
            return desending_order_;
        }

        auto ave = average_;
        std::sort(ave.begin(), ave.end(),
                  [](std::pair<std::string, int32_t> const& lhs, auto const& rhs) noexcept {
                      return lhs.second > rhs.second;
                  });

        for (auto& pair : ave) {
            desending_order_.emplace_back(std::move(pair.first));
        }

        return desending_order_;
    }
    //  exercise/solid_q/isp_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidISP_Q, TestScore_LoadCSV)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto exp_str = std::string{
            "堂林: -1 50 80\n広輔: 40 30 10\n會澤: 30 60 70\n"
            "松山: 80 90 50\n菊池: 50 20 80\n鈴木: 0 80 100\n"};
        ASSERT_EQ(ToString(ts), exp_str);
    }

    std::string whole_file(std::string const& filename)
    {
        auto ifs = std::ifstream{filename};

        return std::string{std::istreambuf_iterator<char>{ifs}, std::istreambuf_iterator<char>{}};
    }

    TEST_F(SolidISP_Q, TestScore_AddScore)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const one_score = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 40),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 70),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", -1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 5),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("田中", 100),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("西川", 90),
        };

        ts.AddScore(one_score);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10, 40}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50, 1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80, -1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100, 5}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("田中", {-1, -1, -1, 100}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("西川", {-1, -1, -1, 90}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const one_score_err = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("野村", -2),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("衣笠", 40),
        };

        // 不正データロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.AddScore(one_score_err), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidISP_Q, TestScore_GetScore)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const& score_0 = ts.GetScore("堂林");
        ASSERT_EQ((std::vector{-1, 50, 80}), score_0);

        auto const& score_1 = ts.GetScore("広輔");
        ASSERT_EQ((std::vector{40, 30, 10}), score_1);

        auto const& score_2 = ts.GetScore("會澤");
        ASSERT_EQ((std::vector{30, 60, 70}), score_2);

        auto const& score_3 = ts.GetScore("松山");
        ASSERT_EQ((std::vector{80, 90, 50}), score_3);

        auto const& score_4 = ts.GetScore("菊池");
        ASSERT_EQ((std::vector{50, 20, 80}), score_4);

        auto const& score_5 = ts.GetScore("鈴木");
        ASSERT_EQ((std::vector{0, 80, 100}), score_5);

        ASSERT_THROW(ts.GetScore("西川"), std::out_of_range);
    }

    TEST_F(SolidISP_Q, TestScore_StoreCSV)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);
        StoreCSV(ts, test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts2 = LoadCSV(test_score_exp_err_), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidISP_Q, TestScore_Average)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 65),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 26),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 53),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 73),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 60),
        };
        auto act = Average(ts);

        ASSERT_EQ(act, exp);
    }

    TEST_F(SolidISP_Q, TestScoreAverage)
    {
        auto tsa = TestScoreAverage{test_score_org_};

        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("堂林"), 65);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("広輔"), 26);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("會澤"), 53);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("松山"), 73);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("菊池"), 50);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("鈴木"), 60);

        ASSERT_THROW(tsa.GetAverage("野村"), std::out_of_range);

        auto const exp = std::vector<std::string>{
            "松山", "堂林", "鈴木", "會澤", "菊池", "広輔",
        };

        ASSERT_EQ(tsa.DescendingOrder(), exp);
        ASSERT_EQ(tsa.DescendingOrder(), exp);  // キャッシュのテスト
    }
    }  // namespace

演習-DIP

    //  exercise/solid_q/dip_test_score.h 9
    // [Q]
    // クラスTestScoreClientは、
    //      * dip_test_score_client.h
    //      * dip_test_score_client.cpp
    // で宣言・定義され、
    // クラスTestScoreLoaderは、
    //      * dip_test_score.h(このファイル)
    //      * dip_test_score.cpp
    // で宣言・定義されされている。
    // TestScoreLoaderは宣言・定義の中にTestScoreClientを使用しているため、
    //      * dip_test_score.cpp -> dip_test_score_client.h
    // の依存関係が発生してる(dip_test_score.h -> dip_test_score_client.hの依存関係は、
    // dip_test_score.h内のTestScoreClientの前方宣言で回避)。
    // クラスの名前からもわかる通り、
    //      * TestScoreClientはTestScoreLoaderのクライアント
    //      * TestScoreLoaderはTestScoreClientのサーバ
    // であるため、この依存関係
    //      * TestScoreLoader -> TestScoreClient(逆の依存関係もあるため、双方向依存)
    //      * dip_test_score.cpp -> dip_test_score_client.h
    // はDIPに反し、機能拡張(や、場合よっては単体テスト可能なパッケージ構成維持)
    // に多大な悪影響がある(TestScoreLoaderを使うTestScoreClient2を新たに定義したときに
    // TestScoreLoaderがどのように修正されるかを考えればこの問題に気づくだろう)。
    // この問題に対処せよ。

    class TestScore {
    public:
        TestScore()                            = default;
        TestScore(TestScore const&)            = default;
        TestScore& operator=(TestScore const&) = delete;
        TestScore& operator=(TestScore&&)      = default;

        using ScoreAll_t = std::map<std::string, std::vector<int32_t>>;
        using ScoreOne_t = std::vector<std::pair<std::string, int32_t>>;

        void                        AddScore(ScoreOne_t const& one_test_score);
        std::vector<int32_t> const& GetScore(std::string const& name) const
        {
            return test_score_row_.at(name);
        }

        ScoreAll_t::const_iterator begin() const noexcept { return test_score_row_.begin(); }
        ScoreAll_t::const_iterator end() const noexcept { return test_score_row_.end(); }

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、-1は未受験、それ以外は不正データ
        void       validate_score(int32_t score) const;
        ScoreAll_t test_score_row_{};
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    TestScore             LoadCSV(std::string const& filename);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);

    class TestScoreClient;
    class TestScoreLoader {
    public:
        TestScoreLoader() {}
        ~TestScoreLoader();
        void      LoadCSV_Async(std::string&& filename, TestScoreClient& client);
        TestScore LoadCSV_Get() { return future_.get(); }

    private:
        std::future<TestScore> future_{};
    };
    //  exercise/solid_q/dip_test_score.cpp 11

    namespace {
    std::pair<std::string, std::vector<int32_t>> parse_line(std::string const& line)
    {
        auto const csv_sep = std::regex{R"( *, *)"};
        auto       name    = std::string{};
        auto       score   = std::vector<int32_t>{};

        auto end = std::sregex_token_iterator{};
        for (auto it = std::sregex_token_iterator{line.begin(), line.end(), csv_sep, -1}; it != end;
             ++it) {
            if (name.length() == 0) {
                name = *it;
            }
            else {
                auto s = std::stoi(*it);
                score.emplace_back(s);
            }
        }

        return {std::move(name), std::move(score)};
    }

    bool is_valid_score(int32_t score) noexcept { return 0 <= score && score <= 100; }

    bool not_score(int32_t score) noexcept { return score == -1; }
    }  // namespace

    void TestScore::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score) || not_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    void TestScore::AddScore(TestScore::ScoreOne_t const& one_test_score)
    {
        for (auto const& pair : one_test_score) {
            validate_score(pair.second);
        }

        if (test_score_row_.size() == 0) {
            test_score_row_[one_test_score[0].first] = std::vector<int32_t>{};
        }

        for (auto& pair : test_score_row_) {
            pair.second.push_back(-1);
        }

        auto curr_test_count = test_score_row_.begin()->second.size();

        for (auto const& pair : one_test_score) {
            if (test_score_row_.find(pair.first) == test_score_row_.end()) {
                test_score_row_[pair.first] = std::vector<int32_t>(curr_test_count, -1);
            }

            test_score_row_[pair.first].back() = pair.second;
        }
    }

    TestScore LoadCSV(std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = TestScore::ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        auto one_test = TestScore::ScoreOne_t{};
        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            one_test.emplace_back(std::make_pair(pair.first, 0));
        }

        auto const score_count = test_score_raw.begin()->second.size();
        auto       ts          = TestScore{};

        for (auto i = 0U; i < score_count; ++i) {
            for (auto& pair : one_test) {
                pair.second = test_score_raw[pair.first][i];
            }
            ts.AddScore(one_test);
        }

        return ts;
    }

    void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    std::string ToString(TestScore const& ts)
    {
        auto ss = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : ts) {
            ss << pair.first << ':';
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ' ' << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        return ss.str();
    }

    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score)
    {
        auto ret = TestScore::ScoreOne_t{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            auto sum         = 0;
            auto valid_count = 0U;
            for (auto const s : pair.second) {
                if (is_valid_score(s)) {
                    sum += s;
                    ++valid_count;
                }
            }
            ret.emplace_back(std::make_pair(pair.first, valid_count == 0 ? -1 : sum / valid_count));
        }

        return ret;
    }

    TestScoreLoader::~TestScoreLoader()
    {
        if (future_.valid()) {
            future_.get();
        }
    }

    void TestScoreLoader::LoadCSV_Async(std::string&& filename, TestScoreClient& client)
    {
        if (future_.valid()) {
            future_.get();
        }

        future_ = std::async(std::launch::async, [&client, filename = std::move(filename)]() {
            auto test_score = LoadCSV(filename);
            client.Done();
            return test_score;
        });
    }
    //  exercise/solid_q/dip_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidDIP_Q, TestScore_LoadCSV)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto exp_str = std::string{
            "堂林: -1 50 80\n広輔: 40 30 10\n會澤: 30 60 70\n"
            "松山: 80 90 50\n菊池: 50 20 80\n鈴木: 0 80 100\n"};
        ASSERT_EQ(ToString(ts), exp_str);
    }

    std::string whole_file(std::string const& filename)
    {
        auto ifs = std::ifstream{filename};

        return std::string{std::istreambuf_iterator<char>{ifs}, std::istreambuf_iterator<char>{}};
    }

    TEST_F(SolidDIP_Q, TestScore_AddScore)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const one_score = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 40),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 70),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", -1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 5),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("田中", 100),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("西川", 90),
        };

        ts.AddScore(one_score);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10, 40}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50, 1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80, -1}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100, 5}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("田中", {-1, -1, -1, 100}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("西川", {-1, -1, -1, 90}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const one_score_err = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("野村", -2),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("衣笠", 40),
        };

        // 不正データロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.AddScore(one_score_err), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidDIP_Q, TestScore_GetScore)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const& score_0 = ts.GetScore("堂林");
        ASSERT_EQ((std::vector{-1, 50, 80}), score_0);

        auto const& score_1 = ts.GetScore("広輔");
        ASSERT_EQ((std::vector{40, 30, 10}), score_1);

        auto const& score_2 = ts.GetScore("會澤");
        ASSERT_EQ((std::vector{30, 60, 70}), score_2);

        auto const& score_3 = ts.GetScore("松山");
        ASSERT_EQ((std::vector{80, 90, 50}), score_3);

        auto const& score_4 = ts.GetScore("菊池");
        ASSERT_EQ((std::vector{50, 20, 80}), score_4);

        auto const& score_5 = ts.GetScore("鈴木");
        ASSERT_EQ((std::vector{0, 80, 100}), score_5);

        ASSERT_THROW(ts.GetScore("西川"), std::out_of_range);
    }

    TEST_F(SolidDIP_Q, TestScore_StoreCSV)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);
        StoreCSV(ts, test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts2 = LoadCSV(test_score_exp_err_), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidDIP_Q, TestScore_Average)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 65),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 26),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 53),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 73),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 60),
        };
        auto act = Average(ts);

        ASSERT_EQ(act, exp);
    }
    }  // namespace
    //  exercise/solid_q/dip_test_score_client.h 11

    class TestScoreClient {
    public:
        void             LoadAsync(std::string&& filename);
        void             Done();
        void             Wait();
        TestScore const& GetTestScore() const noexcept { return test_score_; }

    private:
        std::condition_variable condition_{};
        std::mutex              mutex_{};
        TestScore               test_score_{};
        TestScoreLoader         loader_{};
        bool                    loaded_{false};
    };
    //  exercise/solid_q/dip_test_score_client.cpp 5

    void TestScoreClient::LoadAsync(std::string&& filename)
    {
        loader_.LoadCSV_Async(std::move(filename), *this);
    }

    void TestScoreClient::Done()
    {
        {
            auto lock = std::lock_guard{mutex_};
            loaded_   = true;
        }

        condition_.notify_all();
    }

    void TestScoreClient::Wait()
    {
        auto lock = std::unique_lock{mutex_};

        condition_.wait(lock, [&loaded = loaded_] { return loaded; });

        test_score_ = loader_.LoadCSV_Get();
    }
    //  exercise/solid_q/dip_test_score_client_ut.cpp 9

    namespace {

    TEST_F(SolidDIP_Q, TestStoreClient_LoadAsync)
    {
        auto tsc = TestScoreClient{};

        tsc.LoadAsync("../ut_data2/test_score_org.csv");

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        // ここで何か別のことをして終わったら
        tsc.Wait();

        auto const& ts = tsc.GetTestScore();

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), exp.begin()));

        auto const exp_str = std::string{
            "堂林: -1 50 80\n広輔: 40 30 10\n會澤: 30 60 70\n"
            "松山: 80 90 50\n菊池: 50 20 80\n鈴木: 0 80 100\n"};
        ASSERT_EQ(ToString(ts), exp_str);
    }
    }  // namespace

演習-SOLIDの定義

デザインパターン

演習-ガード節

    //  exercise/design_pattern_q/guard.cpp 7
    // [Q]
    // 以下の関数PrimeNumbersをガード節や、関数の括りだし等によってリファクタリングせよ。

    std::optional<std::vector<uint32_t>> PrimeNumbers(uint32_t max_number)
    {
        if (max_number < 65536) {  // 演算コストが高いためエラーにする
            auto result = std::vector<uint32_t>{};

            if (max_number >= 2) {
                auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
                auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない
                is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

                do {
                    result.emplace_back(prime_num);

                    for (auto i = 2 * prime_num; i < is_num_prime.size(); i += prime_num) {
                        is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
                    }

                    do {  // 次の素数の探索
                        ++prime_num;
                    } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

                } while (prime_num < is_num_prime.size());
            }
            return result;
        }

        return std::nullopt;
    }

    TEST(DesignPatternQ, Guard)
    {
        auto result = PrimeNumbers(1);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), *result);

        result = PrimeNumbers(2);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2}), *result);

        result = PrimeNumbers(30);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), *result);

        ASSERT_FALSE(PrimeNumbers(65536));
    }

演習-BitmaskType

    //  exercise/design_pattern_q/enum_bitmask.cpp 5
    // [Q]
    // 下記関数ColorMask2Strはuint32_t型のビットマスクを引数に取る。
    // これはユーザが使用間違いを起こしやすい脆弱なインターフェースである。
    // enumによるビットマスク表現を使用しこの問題に対処せよ。

    constexpr auto COLOR_RED    = 0b0001U;
    constexpr auto COLOR_YELLOW = 0b0010U;
    constexpr auto COLOR_GREEN  = 0b0100U;
    constexpr auto COLOR_BLUE   = 0b1000U;

    std::string ColorMask2Str(uint32_t color)
    {
        auto ret = std::string{};

        if (COLOR_RED & color) {
            ret += "RED";
        }
        if (COLOR_YELLOW & color) {
            if (ret.size() != 0) {
                ret += ',';
            }
            ret += "YELLOW";
        }
        if (COLOR_GREEN & color) {
            if (ret.size() != 0) {
                ret += ',';
            }
            ret += "GREEN";
        }
        if (COLOR_BLUE & color) {
            if (ret.size() != 0) {
                ret += ',';
            }
            ret += "BLUE";
        }

        return ret;
    }

    TEST(DesignPatternQ, EnumBitmask)
    {
        ASSERT_EQ("RED", ColorMask2Str(COLOR_RED));
        ASSERT_EQ("RED,YELLOW", ColorMask2Str(COLOR_RED | COLOR_YELLOW));
        ASSERT_EQ("YELLOW", ColorMask2Str(COLOR_YELLOW));
        ASSERT_EQ("YELLOW,GREEN,BLUE", ColorMask2Str(COLOR_YELLOW | COLOR_GREEN | COLOR_BLUE));

        ASSERT_EQ("", ColorMask2Str(0b10000));  // 想定していない使用法
    }

演習-Pimpl

    //  exercise/design_pattern_q/pimpl.cpp 5
    // [Q] 下記クラスCollectionの宣言はクラスWidgetの宣言に依存している。
    // Pimplパターンを使用し、Collectionの宣言がWidgetの宣言に依存しないようにせよ。

    class Widget {
    public:
        explicit Widget(char const* name) : name_{name} {}
        char const* Name() const noexcept { return name_; }

    private:
        char const* name_;
    };

    class Collection {
    public:
        char const* Name(size_t i) const { return widgets_.at(i).Name(); }
        void        AddName(char const* name) { widgets_.emplace_back(name); }

        size_t Count() const noexcept { return widgets_.size(); }

    private:
        std::vector<Widget> widgets_{};
    };

    TEST(DesignPatternQ, Pimpl)
    {
        auto c = Collection{};

        ASSERT_EQ(0, c.Count());
        ASSERT_THROW(c.Name(0), std::out_of_range);

        c.AddName("n0");
        c.AddName("n1");
        c.AddName("n2");

        ASSERT_EQ(3, c.Count());
        ASSERT_STREQ("n0", c.Name(0));
        ASSERT_STREQ("n1", c.Name(1));
        ASSERT_STREQ("n2", c.Name(2));
        ASSERT_THROW(c.Name(4), std::out_of_range);
    }

演習-Accessorの副作用

演習-Accessor

    //  exercise/design_pattern_q/accessor.cpp 5
    // [Q]
    // 下記クラスPrimeNumbersはAccessorの多用により、クラスのカプセル化が破壊されている例である。
    // これにより、このクラスは凝集性が低く、誤用を誘発しやすい。
    // この問題を解決するため、クラスPrimeNumbersや関数GetPrimeNumbersを修正せよ。
    // また、別の問題があれば合わせて修正せよ。

    class PrimeNumbers {
    public:
        uint32_t GetMaxNumber() const { return max_number_; }
        void     SetMaxNumber(uint32_t max_number) { max_number_ = max_number; }
        bool     HasCache() const { return cached_; }
        void     Cashed(bool cached) { cached_ = cached; }

        std::vector<uint32_t>& GetPrimeNumbers() { return prime_numbers_; }

    private:
        uint32_t              max_number_;
        bool                  cached_;
        std::vector<uint32_t> prime_numbers_;
    };

    inline uint32_t next_prime_num(uint32_t curr_prime_num, std::vector<bool>& is_num_prime)
    {
        for (auto i = 2 * curr_prime_num; i < is_num_prime.size(); i += curr_prime_num) {
            is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
        }

        auto prime_num = curr_prime_num;

        do {  // 次の素数の探索
            ++prime_num;
        } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

        return prime_num;
    }

    inline std::vector<uint32_t> get_prime_numbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result       = std::vector<uint32_t>{};
        auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない。
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

    void GetPrimeNumbers(PrimeNumbers& pm)
    {
        if (pm.HasCache()) {
            return;
        }

        if (pm.GetMaxNumber() < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない。
            pm.GetPrimeNumbers().clear();
            return;
        }

        pm.GetPrimeNumbers() = get_prime_numbers(pm.GetMaxNumber());
    }

    TEST(DesignPatternQ, Accessor)
    {
        auto pm = PrimeNumbers{};

        pm.SetMaxNumber(1);
        pm.Cashed(false);
        GetPrimeNumbers(pm);
        pm.Cashed(true);

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), pm.GetPrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(3);
        pm.Cashed(false);
        GetPrimeNumbers(pm);
        pm.Cashed(true);

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm.GetPrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(30);
        pm.Cashed(false);
        GetPrimeNumbers(pm);
        pm.Cashed(true);

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), pm.GetPrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(3);
        GetPrimeNumbers(pm);  // pm.Cashed(false);しないので前のまま。
                              // このような用途は考えづらいので、おそらく仕様のバグ。

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), pm.GetPrimeNumbers());
    }

演習-Copy-And-Swap

    //  exercise/design_pattern_q/copy_and_swap.cpp 5
    // [Q]
    // 以下のクラスCopyAndSwapの
    //  * copyコンストラクタ
    //  * copy代入演算子
    //  * moveコンストラクタ
    //  * move代入演算子
    // をCopy-And-Swapイデオムを使用して実装し、単体テストを行え。

    class CopyAndSwap final {
    public:
        explicit CopyAndSwap(char const* name0, char const* name1)
            : name0_{name0 == nullptr ? "" : name0}, name1_{name1 == nullptr ? "" : name1}
        {
        }

        CopyAndSwap(CopyAndSwap const& rhs)
        {
            // この関数の実装
        }

        CopyAndSwap(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
        {
            // この関数の実装
        }

        CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap const& rhs)
        {
            // この関数の実装
            return *this;
        }

        CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
        {
            // この関数の実装
            return *this;
        }

        void Swap(CopyAndSwap& rhs) noexcept
        {
            // この関数の実装
        }

        char const* GetName0() const noexcept { return name0_; }

        std::string const& GetName1() const noexcept { return name1_; }

        ~CopyAndSwap() = default;

    private:
        char const* name0_;
        std::string name1_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, CopyAndSwap)
    {
        // test for explicit CopyAndSwap(char const* name0, char const* name1)
        auto n = CopyAndSwap{nullptr, nullptr};
        ASSERT_STREQ("", n.GetName0());
        ASSERT_EQ("", n.GetName1());

        auto a = CopyAndSwap{"a0", "a1"};
        ASSERT_STREQ("a0", a.GetName0());
        ASSERT_EQ("a1", a.GetName1());
    }

演習-Immutable

    //  exercise/design_pattern_q/immutable.cpp 5
    // [Q]
    // 下記クラスPrimeNumbersはSetMaxNumberにより状態が変わってしまうことがある。
    // 状態変更が必要ない場合、こういった仕様はない方が良い。
    // PrimeNumbersからSetMaxNumberを削除し、このクラスをimmutableにせよ。

    class PrimeNumbers {
    public:
        PrimeNumbers() = default;

        PrimeNumbers(PrimeNumbers const&)            = default;
        PrimeNumbers& operator=(PrimeNumbers const&) = default;

        uint32_t GetMaxNumber() const noexcept { return max_number_; }
        void     SetMaxNumber(uint32_t max_number) noexcept
        {
            if (max_number != max_number_) {
                cached_     = false;
                max_number_ = max_number;
            }
        }

        std::vector<uint32_t> const& GeneratePrimeNumbers();

    private:
        uint32_t              max_number_{0};
        bool                  cached_{false};
        std::vector<uint32_t> prime_numbers_{};

        static uint32_t              next_prime_num(uint32_t           curr_prime_num,
                                                    std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept;
        static std::vector<uint32_t> get_prime_numbers(uint32_t max_number);
    };

    uint32_t PrimeNumbers::next_prime_num(uint32_t           curr_prime_num,
                                          std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept
    {
        for (auto i = 2 * curr_prime_num; i < is_num_prime.size(); i += curr_prime_num) {
            is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
        }

        auto prime_num = curr_prime_num;

        do {  // 次の素数の探索
            ++prime_num;
        } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

        return prime_num;
    }

    std::vector<uint32_t> PrimeNumbers::get_prime_numbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result       = std::vector<uint32_t>{};
        auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない。
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

    std::vector<uint32_t> const& PrimeNumbers::GeneratePrimeNumbers()
    {
        if (cached_) {
            return prime_numbers_;
        }

        if (max_number_ < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない。
            prime_numbers_.clear();
        }
        else {
            prime_numbers_ = get_prime_numbers(max_number_);
        }

        cached_ = true;
        return prime_numbers_;
    }

    TEST(DesignPatternQ, Immutable)
    {
        auto pm = PrimeNumbers{};

        pm.SetMaxNumber(1);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), pm.GeneratePrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(3);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm.GeneratePrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(30);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}),
                  pm.GeneratePrimeNumbers());

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}),
                  pm.GeneratePrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(3);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm.GeneratePrimeNumbers());

        auto pm3_copy = PrimeNumbers{pm};
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm3_copy.GeneratePrimeNumbers());

        auto pm5 = PrimeNumbers{};
        pm5.SetMaxNumber(5);
        pm = pm5;
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5}), pm.GeneratePrimeNumbers());
    }

演習-Clone

    //  exercise/design_pattern_q/clone.cpp 5
    // [Q]
    // TEST(DesignPatternQ, Clone)に記述したように、オブジェクトのスライシングによる影響で、
    // Base型ポインタに代入されたDerivedインスタンスへのコピーは部分的にしか行われない。
    // Cloneパターンを使用してこの問題を修正せよ。
    // また、その他の問題があれば合わせて修正せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(std::string name) : name1_{name} {}
        virtual ~Base() = default;
        virtual std::string const& GetName() { return name1_; }

    private:
        std::string name1_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        explicit Derived(std::string name1 = "", std::string name2 = "") : Base{name1}, name2_{name2} {}
        virtual ~Derived() = default;
        virtual std::string const& GetName() { return name2_; }

    private:
        std::string name2_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, Clone)
    {
        Derived d1{"name1", "name2"};

        ASSERT_EQ("name1", d1.Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", d1.GetName());

        Derived d2{d1};
        ASSERT_EQ("name1", d2.Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", d2.GetName());

        Derived d3;
        Base*   b3 = &d3;

        *b3 = d1;  // d1からd3へコピーしたつもりだが、スライスによりうまく行かない。

        ASSERT_EQ("name1", b3->Base::GetName());
    #if 0
        ASSERT_EQ("name2", b3->GetName());   // スライスの影響でname2_がコピーされていない。
    #else
        ASSERT_EQ("", d3.GetName());
    #endif
    }

演習-NVI

    //  exercise/design_pattern_q/nvi.cpp 7
    // [Q]
    // 下記クラスBase、Derived、DerivedDerivedの前処理はクローンコードになっている。
    // NVIを用いて、この問題に対処せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(std::string name) : name1_{name} {}
        virtual ~Base() = default;
        std::string const& GetName1() const noexcept { return name1_; }

        virtual bool IsEqual(Base const& rhs) const noexcept
        {
            if (this == &rhs) {
                return true;
            }

            if (typeid(*this) != typeid(rhs)) {
                return false;
            }

            return name1_ == rhs.name1_;
        }

    private:
        std::string name1_;
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        explicit Derived(std::string name1 = "", std::string name2 = "") : Base{name1}, name2_{name2} {}
        virtual ~Derived() override = default;
        std::string const& GetName2() const noexcept { return name2_; }

        virtual bool IsEqual(Base const& rhs) const noexcept override
        {
            if (this == &rhs) {
                return true;
            }

            if (!Base::IsEqual(rhs)) {
                return false;
            }

            auto rhs_d = dynamic_cast<Derived const*>(&rhs);

            return (rhs_d != nullptr) && (name2_ == rhs_d->name2_);
        }

    private:
        std::string name2_;
    };

    class DerivedDerived : public Derived {
    public:
        explicit DerivedDerived(std::string name1 = "", std::string name2 = "", std::string name3 = "")
            : Derived{name1, name2}, name3_{name3}
        {
        }
        virtual ~DerivedDerived() override = default;
        std::string const& GetName3() const noexcept { return name3_; }

        virtual bool IsEqual(Base const& rhs) const noexcept override
        {
            if (this == &rhs) {
                return true;
            }

            if (!Derived::IsEqual(rhs)) {
                return false;
            }

            auto rhs_d = dynamic_cast<DerivedDerived const*>(&rhs);

            return (rhs_d != nullptr) && (name3_ == rhs_d->name3_);
        }

    private:
        std::string name3_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, NVI)
    {
        auto b1 = Base{"b1"};

        ASSERT_TRUE(b1.IsEqual(Base{b1}));
        ASSERT_TRUE(b1.IsEqual(Base{"b1"}));
        ASSERT_FALSE(b1.IsEqual(Base{"b2"}));
        ASSERT_FALSE(b1.IsEqual(Derived{"b1", "d1"}));

        auto d1 = Derived{"b1", "d1"};

        ASSERT_FALSE(d1.IsEqual(Base{"b1"}));
        ASSERT_TRUE(d1.IsEqual(d1));
        ASSERT_TRUE(d1.IsEqual(Derived{"b1", "d1"}));
        ASSERT_FALSE(d1.IsEqual(Derived{"b1", "d2"}));
        ASSERT_FALSE(d1.IsEqual(DerivedDerived{"b1", "d1", "dd2"}));

        auto dd1 = DerivedDerived{"b1", "d1", "dd1"};

        ASSERT_FALSE(dd1.IsEqual(Base{"b1"}));
        ASSERT_FALSE(dd1.IsEqual(Derived{"b1", "d1"}));
        ASSERT_TRUE(dd1.IsEqual(dd1));
        ASSERT_TRUE(dd1.IsEqual(DerivedDerived{"b1", "d1", "dd1"}));
        ASSERT_FALSE(dd1.IsEqual(DerivedDerived{"b1", "d1", "dd2"}));
    }

演習-RAIIの効果

演習-RAII

    //  exercise/design_pattern_q/raii.cpp 5
    // [Q]
    // 下記クラスBase、Derivedはクローンパターンをしているが、Clone関数はnewしたオブジェクトであるため、
    // メモリーリークを起こしやすい。std::unique_ptrを使用してこの問題に対処せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(std::string name) : name1_{std::move(name)} {}
        virtual ~Base() = default;
        virtual std::string const& GetName() const noexcept { return name1_; }

        virtual Base* Clone() const { return new Base(name1_); }

        Base(Base const&)            = delete;
        Base& operator=(Base const&) = delete;

    private:
        std::string name1_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        explicit Derived(std::string name1 = "", std::string name2 = "")
            : Base{std::move(name1)}, name2_{std::move(name2)}
        {
        }
        virtual ~Derived() override = default;
        virtual std::string const& GetName() const noexcept override { return name2_; }

        virtual Derived* Clone() const override { return new Derived{Base::GetName(), name2_}; }

    private:
        std::string name2_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, RAII)
    {
        Derived  d1{"name1", "name2"};
        Derived* d2{d1.Clone()};

        ASSERT_EQ("name1", d2->Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", d2->GetName());

        delete d2;

        Base* b3 = d1.Clone();

        ASSERT_EQ("name1", b3->Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", b3->GetName());

        delete b3;
    }

演習-Future

    //  exercise/design_pattern_q/future.cpp 24
    // [Q]
    // 下記のfind_files_concurrentlyはスレッドの出力の結果をキャプチャリファレンスで受け取るため、
    // 入出力の関係が明確でない。Futureパターンを使用しそれを明確にするリファクタリングを行え。

    std::vector<std::string> find_files_concurrently()
    {
        auto pca = std::vector<std::string>{};
        auto pcq = std::vector<std::string>{};

        auto th0 = std::thread{[&pca] { pca = find_files("../programming_convention_a/"); }};
        auto th1 = std::thread{[&pcq] { pcq = find_files("../programming_convention_q/"); }};

        th0.join();
        th1.join();

        pca.insert(pca.end(), pcq.begin(), pcq.end());

        return pca;
    }

    TEST(DesignPatternQ, Future)
    {
        auto files = find_files_concurrently();

        ASSERT_GT(files.size(), 10);
    }

演習-DI

    //  exercise/design_pattern_q/di.cpp 10
    // [Q]
    // CppFilesはLsCppを直に生成するため、LsCpp::FileList()がエラーした場合の単体テスト実施が
    // 困難である。CppFilesにDIパターンを適用するとともに、LsCppを適切に変更することによって、
    // LsCpp::FileList()がエラーした場合のCppFilesの単体テストを行え。

    class LsCpp {
    public:
        std::string const& FileList()
        {
            if (files_.size() != 0) {  // キャッシュを使う
                return files_;
            }

            auto stream
                = std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)>{popen("ls ../ut_data/*.cpp", "r"), fclose};

            if (stream.get() == NULL) {
                throw std::exception{};
            }

            char buff[256];
            while (fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream.get()) != NULL) {
                files_ += buff;
            }

            return files_;
        }

    private:
        std::string files_{};
    };

    class CppFiles {
    public:
        std::vector<std::string> FileList() const
        {
            auto files  = std::string{};
            auto ls_cpp = LsCpp{};

            try {
                files = ls_cpp.FileList();
            }
            catch (...) {
                ;  // 例外発生時には空のベクタを返すので何もしない。
            }

            return split_cr(files);
        }

    private:
        static std::vector<std::string> split_cr(std::string const& str)
        {
            auto ss  = std::stringstream{str};
            auto ret = std::vector<std::string>{};

            for (std::string line; std::getline(ss, line);) {
                ret.emplace_back(line);
            }

            return ret;
        }
    };

    TEST(DesignPatternQ, DI)
    {
        auto        files = CppFiles{};
        auto const& act   = files.FileList();
        auto        exp   = std::vector<std::string>{"../ut_data/a.cpp", "../ut_data/abc.cpp",
                                                     "../ut_data/efghij.cpp"};

        ASSERT_EQ(exp, act);
    }

演習-Singleton

    //  exercise/design_pattern_q/singleton.cpp 5
    // [Q]
    // 下記AppConfigはアプリケーション全体の設定を管理するためのクラスである。
    // 目的上、そのインスタンスAppConfigは広域のアクセスが必要であり、
    // グローバルインスタンスとして実装している。
    // グローバルインスタンスは、初期化の順番が標準化されておらず、
    // 多くの処理系ではリンクの順番に依存しているため、
    // アプリケーション立ち上げ時に様々な問題を起こすことがある。
    // こういった問題を回避するため、AppConfigをSingleton化せよ。
    // また他の問題があれば合わせて修正せよ。

    class AppConfig {
    public:
        enum BaseColor { Red, Green, Black };

        void      SetBaseColor(BaseColor color) noexcept { color_ = color; }
        BaseColor GetBaseColor() { return color_; }

        void         SetUserName(std::string_view username) { username_ = username; }
        std::string& GetUserName() { return username_; }

        void Logging(bool is_logging) { is_logging_ = is_logging; }
        bool IsLoggin() { return is_logging_; }

        // 他の設定値は省略

        void SetDefault()
        {
            SetBaseColor(Red);
            SetUserName("No Name");
            Logging(false);
        }

    private:
        BaseColor   color_{Red};
        std::string username_{"No Name"};
        bool        is_logging_{false};
    };

    AppConfig AppConfig;

    class DesignPatternQ_F : public ::testing::Test {
    protected:
        virtual void SetUp() override { AppConfig.SetDefault(); }

        virtual void TearDown() override { AppConfig.SetDefault(); }
    };

    TEST_F(DesignPatternQ_F, Singleton)
    {
        ASSERT_EQ(AppConfig::Red, AppConfig.GetBaseColor());
        ASSERT_EQ("No Name", AppConfig.GetUserName());
        ASSERT_FALSE(AppConfig.IsLoggin());

        AppConfig.SetBaseColor(AppConfig::Green);
        ASSERT_EQ(AppConfig::Green, AppConfig.GetBaseColor());

        AppConfig.SetUserName("Stroustrup");
        ASSERT_EQ("Stroustrup", AppConfig.GetUserName());

        AppConfig.Logging(true);
        ASSERT_TRUE(AppConfig.IsLoggin());

        AppConfig.SetDefault();
        ASSERT_EQ(AppConfig::Red, AppConfig.GetBaseColor());
        ASSERT_EQ("No Name", AppConfig.GetUserName());
        ASSERT_FALSE(AppConfig.IsLoggin());
    }

演習-State

    //  exercise/design_pattern_q/state.cpp 5
    // [Q]
    // 下記クラスGreetingにはlang_に対する同型のswitch文が3個ある。
    // これは機能追加時にバグが混入しやすいアンチパターンであるため、
    // Stateパターンを用いリファクタリングせよ。
    // また、他の問題があれば合わせて修正せよ。

    enum class Language { English, Japanese, French };

    class Greeting {
    public:
        explicit Greeting(Language lang = Language::English) noexcept : lang_{lang} {}
        void SetLanguage(Language lang) noexcept { lang_ = lang; }

        std::string GoodMorning()
        {
            switch (lang_) {
            case Language::Japanese:
                return "おはよう";
            case Language::French:
                return "Bonjour";
            case Language::English:
            default:
                return "good morning";
            }
        }

        std::string Hello()
        {
            switch (lang_) {
            case Language::Japanese:
                return "こんにちは";
            case Language::French:
                return "Bonjour";
            case Language::English:
            default:
                return "hello";
            }
        }

        std::string GoodEvening()
        {
            switch (lang_) {
            case Language::Japanese:
                return "こんばんは";
            case Language::French:
                return "bonne soirée";
            case Language::English:
            default:
                return "good evening";
            }
        }

    private:
        Language lang_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, State)
    {
        auto greeting = Greeting{};

        ASSERT_EQ("good morning", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("hello", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("good evening", greeting.GoodEvening());

        greeting.SetLanguage(Language::Japanese);
        ASSERT_EQ("おはよう", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("こんにちは", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("こんばんは", greeting.GoodEvening());

        greeting.SetLanguage(Language::French);
        ASSERT_EQ("Bonjour", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("Bonjour", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("bonne soirée", greeting.GoodEvening());

        greeting.SetLanguage(Language::English);
        ASSERT_EQ("good morning", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("hello", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("good evening", greeting.GoodEvening());
    }

演習-Null Object

    //  exercise/design_pattern_q/null_object.cpp 38
    // [Q]
    // 下記クラスPersonにはgreeting_のヌルチェックを行う三項演算子が3つある。
    // これはヌルポインタアクセスを起こしやすいアンチパターンであるため、
    // Null Objectパターンを用いリファクタリングせよ。
    // また、他の問題があれば合わせて修正せよ。

    class Greeting {
    public:
        explicit Greeting(Language lang = Language::English) : state_{new_state(lang)} {}
        void SetLanguage(Language lang) { state_ = new_state(lang); }

        std::string GoodMorning() const { return state_->GoodMorning(); }
        std::string Hello() const { return state_->Hello(); }
        std::string GoodEvening() const { return state_->GoodEvening(); }

    private:
        std::unique_ptr<GreetingState> state_;

        static std::unique_ptr<GreetingState> new_state(Language lang)
        {
            switch (lang) {
            case Language::Japanese:
                return std::make_unique<GreetingState_Japanese>();
            case Language::French:
                return std::make_unique<GreetingState_French>();
            case Language::English:
            default:
                return std::make_unique<GreetingState_English>();
            }
        }
    };

    class Person {
    public:
        explicit Person(Language lang, bool silent = false)
            : greeting_{silent ? std::unique_ptr<Greeting>{} : std::make_unique<Greeting>(lang)}
        {
        }

        std::string GoodMorning() { return greeting_ ? greeting_->GoodMorning() : ""; }
        std::string Hello() { return greeting_ ? greeting_->Hello() : ""; }
        std::string GoodEvening() { return greeting_ ? greeting_->GoodEvening() : ""; }

    private:
        std::unique_ptr<Greeting> greeting_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, NullObject)
    {
        auto e = Person{Language::English};

        ASSERT_EQ("good morning", e.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("hello", e.Hello());
        ASSERT_EQ("good evening", e.GoodEvening());

        auto j = Person{Language::Japanese};
        ASSERT_EQ("おはよう", j.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("こんにちは", j.Hello());
        ASSERT_EQ("こんばんは", j.GoodEvening());

        auto f = Person{Language::French};
        ASSERT_EQ("Bonjour", f.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("Bonjour", f.Hello());
        ASSERT_EQ("bonne soirée", f.GoodEvening());

        auto e_s = Person{Language::English, true};

        ASSERT_EQ("", e_s.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("", e_s.Hello());
        ASSERT_EQ("", e_s.GoodEvening());
    }

演習-Templateメソッド

    //  exercise/design_pattern_q/template_method.cpp 5
    // [Q]
    // 下記クラスXxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvは同様の処理を行い、
    // それぞれのフォーマットで文字列を出力する。このような処理のクローンはTemplate Method
    // パターンにより排除できる。
    // このパターンを用い、下記2クラスをリファクタリングせよ。
    // また、他の問題があれば合わせて修正せよ。

    struct XxxData {
        int a;
        int b;
        int c;
    };

    class XxxDataFormatterXml {
    public:
        XxxDataFormatterXml() = default;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            auto body = std::string{"<Item>\n"};

            body += "    <XxxData a=\"" + std::to_string(xxx_data.a) + "\">\n";
            body += "    <XxxData b=\"" + std::to_string(xxx_data.b) + "\">\n";
            body += "    <XxxData c=\"" + std::to_string(xxx_data.c) + "\">\n";
            body += "</Itemp>\n";

            return header_ + body + footer_;
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = std::string{header_};

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += "<Item>\n";
                ret += "    <XxxData a=\"" + std::to_string(xxx_data.a) + "\">\n";
                ret += "    <XxxData b=\"" + std::to_string(xxx_data.b) + "\">\n";
                ret += "    <XxxData c=\"" + std::to_string(xxx_data.c) + "\">\n";
                ret += "</Itemp>\n";
            }

            return ret + footer_;
        }

    private:
        std::string header_ = "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n<XxxDataFormatterXml>\n";
        std::string footer_ = "</XxxDataFormatterXml>\n";
    };

    class XxxDataFormatterCsv {
    public:
        XxxDataFormatterCsv() = default;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            auto body = std::string{std::to_string(xxx_data.a) + ", " + std::to_string(xxx_data.b)
                                    + ", " + std::to_string(xxx_data.b) + "\n"};

            return header_ + body;
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = std::string{header_};

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += std::string{std::to_string(xxx_data.a) + ", " + std::to_string(xxx_data.b) + ", "
                                   + std::to_string(xxx_data.b) + "\n"};
            }

            return ret;
        }

    private:
        std::string const header_ = "a, b, c\n";
    };

    TEST(DesignPatternQ, TemplateMethod)
    {
        auto xml = XxxDataFormatterXml{};
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml.ToString({1, 100, 10});
            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);

            auto const expect_array = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"2\">\n"
                "    <XxxData b=\"200\">\n"
                "    <XxxData c=\"20\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_array = xml.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});
            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }

        auto csv = XxxDataFormatterCsv{};
        {
            auto expect_scalar = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"};
            auto const actual_scalar = csv.ToString({1, 100, 10});
            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);

            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});
            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

演習-Factory

    //  exercise/design_pattern_q/factory_lib.h 6
    // [Q]
    // 下記クラスXxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvはヘッダファイルで宣言・定義を行ったために
    // 他の.cppファイルから直接アクセスできてしまう。
    // Factoryパターンを用いて、XxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvを他の.cppファイルから
    // 直接アクセスできないようにせよ。

    struct XxxData {
        int a;
        int b;
        int c;
    };

    class XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterIF() noexcept                            = default;
        virtual ~XxxDataFormatterIF()                            = default;
        XxxDataFormatterIF(XxxDataFormatterIF const&)            = delete;
        XxxDataFormatterIF& operator=(XxxDataFormatterIF const&) = delete;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            return header() + body(xxx_data) + footer();
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = header();

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += body(xxx_data);
            }

            return ret + footer();
        }

    private:
        virtual std::string const& header() const                      = 0;
        virtual std::string const& footer() const                      = 0;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const = 0;
    };

    class XxxDataFormatterXml final : public XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterXml()                   = default;
        virtual ~XxxDataFormatterXml() override = default;

    private:
        virtual std::string const& header() const override;
        virtual std::string const& footer() const override;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const override;
    };

    class XxxDataFormatterCsv final : public XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterCsv()                   = default;
        virtual ~XxxDataFormatterCsv() override = default;

    private:
        virtual std::string const& header() const override;
        virtual std::string const& footer() const override;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const override;
    };
    //  exercise/design_pattern_q/factory_lib.cpp 5

    std::string const& XxxDataFormatterXml::header() const
    {
        static auto const header
            = std::string{"<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n<XxxDataFormatterXml>\n"};

        return header;
    }

    std::string const& XxxDataFormatterXml::footer() const
    {
        static auto const footer = std::string{"</XxxDataFormatterXml>\n"};

        return footer;
    }

    std::string XxxDataFormatterXml::body(XxxData const& xxx_data) const
    {
        auto content = std::string{"<Item>\n"};

        content += "    <XxxData a=\"" + std::to_string(xxx_data.a) + "\">\n";
        content += "    <XxxData b=\"" + std::to_string(xxx_data.b) + "\">\n";
        content += "    <XxxData c=\"" + std::to_string(xxx_data.c) + "\">\n";

        return content + "</Itemp>\n";
    }

    std::string const& XxxDataFormatterCsv::header() const
    {
        static auto const header = std::string{"a, b, c\n"};

        return header;
    }

    std::string const& XxxDataFormatterCsv::footer() const
    {
        static auto const footer = std::string{};

        return footer;
    }

    std::string XxxDataFormatterCsv::body(XxxData const& xxx_data) const
    {
        return std::string{std::to_string(xxx_data.a) + ", " + std::to_string(xxx_data.b) + ", "
                           + std::to_string(xxx_data.b) + "\n"};
    }
    //  exercise/design_pattern_q/factory.cpp 9

    TEST(DesignPatternQ, Factory)
    {
        auto xml = XxxDataFormatterXml{};
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml.ToString({1, 100, 10});
            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);
        }

        auto csv = XxxDataFormatterCsv{};
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});
            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

演習-Named Constructor

    //  exercise/design_pattern_q/named_constructor_lib.h 14
    // [Q]
    // 下記関数XxxDataFormatterFactoryはインターフェースクラスXxxDataFormatterIFのファクトリ関数
    // である。これをnamed constructorパターンで実装しなおせ。

    class XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterIF() noexcept                            = default;
        virtual ~XxxDataFormatterIF()                            = default;
        XxxDataFormatterIF(XxxDataFormatterIF const&)            = delete;
        XxxDataFormatterIF& operator=(XxxDataFormatterIF const&) = delete;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            return header() + body(xxx_data) + footer();
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = header();

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += body(xxx_data);
            }

            return ret + footer();
        }

    private:
        virtual std::string const& header() const                      = 0;
        virtual std::string const& footer() const                      = 0;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const = 0;
    };

    enum class XxxDataFormatterType { Xml, Csv, Table };

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType type) noexcept;
    //  exercise/design_pattern_q/named_constructor_lib.cpp 114

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType type) noexcept
    {
        static auto const xml   = XxxDataFormatterXml{};
        static auto const csv   = XxxDataFormatterCsv{};
        static auto const table = XxxDataFormatterTable{};

        switch (type) {
        case XxxDataFormatterType::Xml:
            return xml;
        case XxxDataFormatterType::Csv:
            return csv;
        case XxxDataFormatterType::Table:
            return table;
        default:
            assert("unknown type");
            return csv;
        }
    }
    //  exercise/design_pattern_q/named_constructor.cpp 9

    TEST(DesignPatternQ, NamedConstructor)
    {
        auto const& xml = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType::Xml);
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml.ToString({1, 100, 10});

            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);
        }

        auto const& csv = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType::Csv);
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});

            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }

        auto const& table = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType::Table);
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| a      | b      | c      |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 3      | 300    | 30     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 4      | 400    | 40     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"};
            auto const actual_array = table.ToString({{3, 300, 30}, {4, 400, 40}});

            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

演習-Proxy

    //  exercise/design_pattern_q/proxy.cpp 7
    // [Q]
    // 下記クラスLsDirのFileListはlsコマンドをpopenにより実行し、その戻り値をstd::stringで返す。
    // popenはコストの高いコールなので、パフォーマンスを上げるためにlsの戻り値をキャッシュしたいが、
    // 現行のLsDirも必要である。
    // Proxyパターンを使い、この問題に対処するためのLsDirCachedを作れ。

    class LsDir {
    public:
        LsDir()  = default;
        ~LsDir() = default;

        void               SetArgs(std::string_view args) { args_ = args; }
        std::string const& GetArgs() const noexcept { return args_; }

        std::string FileList() const
        {
            auto cmd      = std::string{"ls "} + GetArgs();
            auto to_close = [](FILE* f) { fclose(f); };
            auto stream = std::unique_ptr<FILE, decltype(to_close)>{popen(cmd.c_str(), "r"), to_close};

            auto files = std::string{};
            char buff[256];

            while (fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream.get()) != NULL) {
                files += buff;
            }

            return files;
        }

    private:
        std::string args_{};
    };

    TEST(DesignPatternQ, Proxy)
    {
        auto ld = LsDir{};

        {
            ld.SetArgs("../ut_data/");

            auto exp = std::string{"a.cpp\na.h\nabc.cpp\nabc.h\nd\nefghij.cpp\nefghij.h\nlib\no\n"};
            auto act = ld.FileList();

            ASSERT_EQ(exp, act);
            ASSERT_EQ(act, ld.FileList());
        }
        {
            ld.SetArgs("../ut_data/lib/");

            auto exp = std::string{"lib.cpp\nlib.h\n"};
            auto act = ld.FileList();

            ASSERT_EQ(exp, act);
            ASSERT_EQ(act, ld.FileList());
        }
    }

演習-Strategy

    //  exercise/design_pattern_q/strategy.cpp 11
    // [Q]
    // 下記find_filesは醜悪であるだけでなく、拡張性もない。
    // Strategyパターンを用い、この問題に対処せよ。

    enum class FindCondition {
        File,
        Dir,
        FileCpp,
    };

    std::vector<std::string> find_files(std::string const& path, FindCondition condition)
    {
        namespace fs = std::filesystem;

        auto files = std::vector<fs::path>{};

        // recursive_directory_iteratorはファイルシステム依存するため、その依存を排除する他の処理
        std::copy(fs::recursive_directory_iterator{path}, fs::recursive_directory_iterator{},
                  std::back_inserter(files));

        std::sort(files.begin(), files.end());

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        for (fs::path const& p : files) {
            auto is_match = false;

            switch (condition) {
            case FindCondition::File:
                if (fs::is_regular_file(p)) {
                    is_match = true;
                }
                break;
            case FindCondition::Dir:
                if (fs::is_directory(p)) {
                    is_match = true;
                }
                break;
            case FindCondition::FileCpp: {
                auto const filename = p.filename().generic_string();
                auto const cpp_file = std::string{".cpp"};

                if (filename.length() > cpp_file.length()
                    && (filename.substr(filename.length() - cpp_file.length()) == cpp_file)) {
                    is_match = true;
                }
                break;
            }
            default:
                assert(false);
            }

            if (is_match) {
                ret.emplace_back(p.generic_string());
            }
        }

        return ret;
    }

    TEST(DesignPatternQ, Strategy)
    {
        auto sort = [](auto&& v) {
            std::sort(v.begin(), v.end());
            return v;
        };

        {
            auto exp = sort(std::vector<std::string>{
                "../ut_data/a.cpp", "../ut_data/a.h", "../ut_data/abc.cpp", "../ut_data/abc.h",
                "../ut_data/d/a.d", "../ut_data/efghij.cpp", "../ut_data/efghij.h",
                "../ut_data/lib/lib.cpp", "../ut_data/lib/lib.h", "../ut_data/o/a.o"});
            auto act = find_files("../ut_data", FindCondition::File);

            ASSERT_EQ(exp, act);
        }
        {
            auto exp = sort(std::vector<std::string>{"../ut_data/d", "../ut_data/lib", "../ut_data/o"});
            auto act = find_files("../ut_data", FindCondition::Dir);

            ASSERT_EQ(exp, act);
        }
        {
            auto exp
                = sort(std::vector<std::string>{"../ut_data/a.cpp", "../ut_data/abc.cpp",
                                                "../ut_data/efghij.cpp", "../ut_data/lib/lib.cpp"});
            auto act = find_files("../ut_data", FindCondition::FileCpp);

            ASSERT_EQ(exp, act);
        }
    }

演習-Visitor

    //  exercise/design_pattern_q/visitor.cpp 9
    // [Q]
    // 下記クラスFile、Dir、OtherEntityはクラスFileEntityから派生し、
    // それぞれが自身をstd::stringに変換するアルゴリズム関数
    //      * to_string_normal()
    //      * to_string_with_char()
    //      * to_string_with_children()
    // をオーバーライドしている。これはポリモーフィズムの使用方法としては正しいが、
    // to_string_xxx系統のインターフェースがが大量に増えた場合に、
    // FileEntityのインターフェースがそれに比例して増えてしまう問題を持っている。
    // Visitorパターンを使用しこれに対処せよ。

    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string const& pathname) : pathname_{strip(pathname)} {}
        virtual ~FileEntity() = default;
        std::string const& Pathname() const noexcept { return pathname_; }

        std::string ToStringNormal() const { return to_string_normal(); }
        std::string ToStringWithChar() const { return to_string_with_char(); }
        std::string ToStringWithChildren() const { return to_string_with_children(); }

    private:
        std::string const pathname_;

        virtual std::string to_string_normal() const        = 0;
        virtual std::string to_string_with_char() const     = 0;
        virtual std::string to_string_with_children() const = 0;

        static std::string strip(std::string const& pathname)
        {
            return std::regex_replace(pathname, std::regex{R"(/+$)"}, "");
        }
    };

    class File final : public FileEntity {
    public:
        explicit File(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string_normal() const override { return Pathname(); }
        virtual std::string to_string_with_char() const override { return Pathname(); };
        virtual std::string to_string_with_children() const override { return Pathname(); };
    };

    class Dir final : public FileEntity {
    public:
        explicit Dir(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string_normal() const override { return Pathname() + '/'; }
        virtual std::string to_string_with_char() const override { return to_string_normal(); };
        virtual std::string to_string_with_children() const override { return find_files(Pathname()); };

        static std::string find_files(std::string const& dir)
        {
            namespace fs = std::filesystem;

            auto files = std::vector<std::string>{};

            std::for_each(fs::recursive_directory_iterator{dir}, fs::recursive_directory_iterator{},
                          [&files](fs::path const& p) { files.emplace_back(p.generic_string()); });

            std::sort(files.begin(), files.end());

            auto ret = std::string{dir};

            for (auto f : files) {
                ret += ' ' + f;
            }

            return ret;
        }
    };

    class OtherEntity final : public FileEntity {
    public:
        explicit OtherEntity(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string_normal() const override { return Pathname(); }
        virtual std::string to_string_with_char() const override { return Pathname() + '+'; };
        virtual std::string to_string_with_children() const override { return Pathname(); };
    };

    TEST(DesignPatternQ, Visitor)
    {
        auto const f0 = File{"../ut_data/a.cpp"};
        auto const f1 = File{"../ut_data/a.cpp///"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToStringNormal());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToStringWithChar());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToStringWithChildren());

        auto const dir = Dir{"../ut_data/lib/"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/lib", dir.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToStringNormal());
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToStringWithChar());
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib ../ut_data/lib/lib.cpp ../ut_data/lib/lib.h",
                  dir.ToStringWithChildren());

        auto const other = OtherEntity{"symbolic_link"};

        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.Pathname());
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToStringNormal());
        ASSERT_EQ("symbolic_link+", other.ToStringWithChar());
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToStringWithChildren());
    }

演習-CRTP

    //  exercise/design_pattern_q/crtp.cpp 9
    // [Q]
    // 下記クラスFileEntityから派生しクラスFile、Dir、OtherEntityは、
    // Visitorパターンを利用しているため、そのすべてで下記のコードクローンを持つ。
    //
    //    virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    //
    // このコードクローンのthisの型は、それぞれFile、Dir、OtherEntityとなるため、
    // この関数をFileEntityで定義すると動作が変わってしまい、単純には統一できない。
    // CRTPを用い、このクローンを削除せよ。

    class Visitor;

    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string const& pathname) : pathname_{strip(pathname)} {}
        virtual ~FileEntity() = default;
        std::string const& Pathname() const { return pathname_; }
        std::string        ToString(Visitor const& to_s) const { return to_string(to_s); }

    private:
        std::string const pathname_;

        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const = 0;
        static std::string  strip(std::string const& pathname)
        {
            return std::regex_replace(pathname, std::regex{R"(/+$)"}, "");
        }
    };

    class File;
    class Dir;
    class OtherEntity;

    class Visitor {
    public:
        virtual ~Visitor() = default;
        std::string Visit(File const& file) const { return visit(file); }
        std::string Visit(Dir const& dir) const { return visit(dir); }
        std::string Visit(OtherEntity const& other) const { return visit(other); }

    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const     = 0;
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const       = 0;
        virtual std::string visit(OtherEntity const& f) const = 0;
    };

    class File final : public FileEntity {
    public:
        explicit File(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    };

    class Dir final : public FileEntity {
    public:
        explicit Dir(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    };

    class OtherEntity final : public FileEntity {
    public:
        explicit OtherEntity(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    };

    class ToStringNormal : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return dir.Pathname() + '/'; }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override { return other.Pathname(); }
    };

    class ToStringWithChar : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return dir.Pathname() + '/'; }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override
        {
            return other.Pathname() + '+';
        }
    };

    class ToStringWithChildren : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return find_files(dir.Pathname()); }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override { return other.Pathname(); }

        static std::string find_files(std::string const& dir)
        {
            namespace fs = std::filesystem;

            auto files = std::vector<std::string>{};

            std::for_each(fs::recursive_directory_iterator{dir}, fs::recursive_directory_iterator{},
                          [&files](fs::path const& p) { files.emplace_back(p.generic_string()); });

            std::sort(files.begin(), files.end());

            auto ret = std::string{dir};

            for (auto f : files) {
                ret += ' ' + f;
            }

            return ret;
        }
    };

    TEST(DesignPatternQ, CRTP)
    {
        auto ts_normal   = ToStringNormal{};
        auto ts_char     = ToStringWithChar{};
        auto ts_children = ToStringWithChildren{};

        auto const f0 = File{"../ut_data/a.cpp"};
        auto const f1 = File{"../ut_data/a.cpp///"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_children));

        auto const dir = Dir{"../ut_data/lib/"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/lib", dir.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib ../ut_data/lib/lib.cpp ../ut_data/lib/lib.h",
                  dir.ToString(ts_children));

        auto const other = OtherEntity{"symbolic_link"};

        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.Pathname());
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("symbolic_link+", other.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToString(ts_children));
    }

演習-Observer

    //  exercise/design_pattern_q/observer.cpp 7
    // [Q]
    // 下記クラスはそれぞれが
    //      * ViewX、 ViewY : GUIへの出力(描画)
    //      * Model         : 何らかのビジネスロジックの演算
    //      * Controller    : OKボタンクリックイベントをModelへ通知
    // を行うことを模擬している。
    // 依存関係Model->ViewX、ViewYはMVCに逆行しているため下記のような問題を持つ。
    //      * ViewX、ViewYの変更がModelに伝搬してしまう。
    //      * この例は単純であるためViewX、ViewY->Modelへの依存関係は存在しないが、
    //        実際のアプリケーションではそのような依存関係が存在するため、依存関係が循環してしまう。
    //      * ModelがダイレクトにViewX、ViewYへ出力するため、単体テストの実施は困難である。
    //      * この依存関係が直接の原因ではないが、このような依存関係を持つアプリケーションのクラスは
    //        巨大になる。
    //  アプリケーションが小規模である時には、このような問題がバグや開発効率悪化の原因となることは稀
    //  であり放置されることが多いが、大規模化に伴いこのような潜在的問題が表出する。
    //  ModelにObserverパターンを適用する等をしてこの問題に対処するとともに、Modelの単体テストを行え。

    class ViewX {
    public:
        void DisplaySomething(std::string const&) noexcept {}
    };
    ViewX g_ViewX;

    class ViewY {
    public:
        void DisplaySomething(std::string const&) noexcept {}
    };
    ViewY g_ViewY;

    class Model {
    public:
        Model() = default;
        ~Model() { wait_future(); }

        void DoSomething()
        {
            wait_future();

            future_ = std::async(std::launch::async, [] {
                // 本来は非同期処理が必要な重い処理
                auto result = std::string{"result of doing something"};

                g_ViewX.DisplaySomething(result);
                g_ViewY.DisplaySomething(result);
            });
        }

    private:
        std::future<void> future_;

        void wait_future() noexcept
        {
            if (future_.valid()) {
                future_.wait();
            }
        }
    };

    class Controller {
    public:
        Controller(Model& model) noexcept : model_{model} {}
        void OK_Clicked() { model_.DoSomething(); }

        Model& model_;
    };

    TEST(DesignPatternQ, Observer)
    {
        auto model      = Model{};
        auto controller = Controller{model};

        controller.OK_Clicked();
        controller.OK_Clicked();
        controller.OK_Clicked();
    }

演習-デザインパターン選択1

演習-デザインパターン選択2

演習-デザインパターン選択3

開発プロセスとインフラ(全般)

演習-プロセス分類

演習-V字モデル

演習-アジャイル

演習-自動化

演習-単体テスト

演習-リファクタリングに付随する活動

演習-リファクタリング対象コード

演習-CI

テンプレートメタプログラミング

演習-パラメータパック

    //  exercise/template_q/parameter_pack.cpp 5
    // [Q]
    // 下記の関数Maxは、単体テストが示す通り、2つのパラメータの大きい方を返す。
    // 任意の個数の引数を取れるようにMaxを修正せよ。

    template <typename T>
    T Max(T const& t0, T const& t1) noexcept
    {
        return t0 > t1 ? t0 : t1;
    }

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, parameter_pack)
    {
        ASSERT_EQ(2, Max(1, 2));
        ASSERT_EQ("bcd", Max(std::string{"abc"}, std::string{"bcd"}));
    }

演習-エイリアステンプレート

    //  exercise/template_q/template_alias.cpp 5
    // [Q]
    // 下記の単体テストでしているstd::vector<std::vector<XXX>>を、
    // テンプレートエイリアスによって簡潔に記述せよ。

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, template_alias)
    {
        {
            auto vv = std::vector<std::vector<int>>{{1, 2, 3}, {3, 4, 5}};
            ASSERT_EQ(2, vv.size());
            ASSERT_EQ((std::vector<int>{1, 2, 3}), vv[0]);
            ASSERT_EQ((std::vector<int>{3, 4, 5}), vv[1]);
            ASSERT_EQ(5, vv[1][2]);
        }
        {
            auto vv = std::vector<std::vector<float>>{{1, 2, 3}, {3, 4, 5}};
            ASSERT_EQ(2, vv.size());
            ASSERT_EQ((std::vector<float>{1, 2, 3}), vv[0]);
            ASSERT_EQ((std::vector<float>{3, 4, 5}), vv[1]);
            ASSERT_EQ(5, vv[1][2]);
        }
        {
            auto vv = std::vector<std::vector<std::string>>{{"1", "2", "3"}, {"3", "4", "5"}};
            ASSERT_EQ(2, vv.size());
            ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"1", "2", "3"}), vv[0]);
            ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"3", "4", "5"}), vv[1]);
            ASSERT_EQ("5", vv[1][2]);
        }
    }

演習-名前空間による修飾不要なoperator<<

    //  exercise/template_q/put_to.cpp 3
    // [Q]
    // 下記のように名前空間TemplateMP、エイリアスInts_tとそのoperator<<が定義されている場合、
    // 単体テストで示した通り、Ints_tのoperator<<を使用するためには、
    // 名前空間による修飾やusing宣言/ディレクティブの記述が必要になる。
    // Ints_tをstd::vectorから継承したクラスとして定義することにより、このような記述を不要にせよ。

    namespace TemplateMP {

    using Ints_t = std::vector<int>;

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Ints_t const& ints)
    {
        auto first = true;
        for (auto i : ints) {
            if (!std::exchange(first, false)) {
                os << " : ";
            }
            os << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace TemplateMP

    namespace {
    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, put_to)
    {
        {
            auto oss  = std::ostringstream{};
            auto ints = TemplateMP::Ints_t{1, 2, 3};

            // oss << ints;
            TemplateMP::operator<<(oss, ints);  // 名前空間による飾

            ASSERT_EQ("1 : 2 : 3", oss.str());
        }
        {
            auto oss  = std::ostringstream{};
            auto ints = TemplateMP::Ints_t{1, 2, 3};

            using TemplateMP::operator<<;  // using宣言
            oss << ints;

            ASSERT_EQ("1 : 2 : 3", oss.str());
        }
        {
            auto oss  = std::ostringstream{};
            auto ints = TemplateMP::Ints_t{1, 2, 3};

            using namespace TemplateMP;  // usingディレクティブ
            oss << ints;

            ASSERT_EQ("1 : 2 : 3", oss.str());
        }
    }
    }  // namespace

演習-std::arrayの継承

    //  exercise/template_q/safe_array.cpp 3
    // [Q]
    // std::array、std::vector、std::string等のSTLの配列型コンテナはインデックスアクセスに対して、
    // レンジのチェックをしないため、不正なメモリアクセスをしてしまうことがある。
    // std::arrayを使用して、このような問題のないSafeArrayを作り、単体テストを行え。

    namespace {
    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, safe_array)
    {
        // SafeArrayの単体テスト
    }
    }  // namespace

演習-SFINAEを利用しない関数テンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_q/is_void.cpp 3
    // [Q]
    // 下記の仕様を満たす関数テンプレートis_void_f<T>と定数テンプレートis_void_f_v<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、trueを返す
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、falseを返す
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    namespace IsVoidTest {
    void        test_func_0() noexcept {};
    std::string test_func_1() { return "test"; };
    }  // namespace IsVoidTest

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, is_void_f)
    {
    #if 0
        static_assert(!is_void_f_v<int>);
        static_assert(is_void_f_v<void>);
        static_assert(is_void_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-SFINAEを利用しないクラステンプレートの特殊化によるis_void

演習-SFINAEを利用した関数テンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_q/is_void.cpp 53
    // [Q]
    // 下記の仕様を満たす関数テンプレートis_void_sfinae_f<T>と
    // 定数テンプレートis_void_sfinae_f<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、trueを返す
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、falseを返す
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * SFINAEを利用する
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, is_void_sfinae_f)
    {
    #if 0
        static_assert(!is_void_sfinae_f_v<int>);
        static_assert(is_void_sfinae_f_v<void>);
        static_assert(is_void_sfinae_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_sfinae_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-SFINAEを利用したクラステンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_q/is_void.cpp 77
    // [Q]
    // 下記の仕様を満たすクラステンプレートis_void_sfinae_s<T>と
    // 定数テンプレートis_void_sfinae_s_v<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、メンバvalueがtrueになる
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、メンバvalueがtrueになる
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * std::true_type/std::false_typeを利用する
    //    * SFINAEを利用する
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, is_void_sfinae_s)
    {
    #if 0
        static_assert(!is_void_sfinae_s_v<int>);
        static_assert(is_void_sfinae_s_v<void>);
        static_assert(is_void_sfinae_s_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_sfinae_s_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-テンプレートテンプレートパラメータ

    //  exercise/template_q/template_template.cpp 3
    // [Q]
    // 以下の使用を満たすクラステンプレートを作れ。
    //  * 任意のSTLコンテナを唯一のテンプレートパラメータとする
    //  * そのコンテナを使用しint型のデータを格納する

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, template_template)
    {
        //
    }
    }  // namespace

演習-テンプレートパラメータを可変長にしたstd::is_same

    //  exercise/template_q/is_same.cpp 3
    // [Q]
    // 以下の仕様を満たすクラステンプレートis_same_some_of<T, U...>と
    // 定数テンプレートis_same_some_of_v<T, U...>を作れ。
    //  * 2個以上のテンプレートパラメータを持つ
    //  * 第1パラメータと他のパラメータの何れかが同一の型であった場合、メンバvalueがtrueになる
    //  * 前行の条件が成立しなかった場合、メンバvalueがfalseになる
    //  * 型の同一性はstd::is_sameを使って判定する

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, is_same_some_of)
    {
    #if 0
        static_assert(!is_same_some_of_v<int, int8_t, int16_t, uint16_t>);
        static_assert(is_same_some_of_v<int, int8_t, int16_t, uint16_t, int32_t>);
        static_assert(is_same_some_of_v<int&, int8_t, int16_t, int32_t&, int32_t>);
        static_assert(!is_same_some_of_v<int&, int8_t, int16_t, uint32_t&, int32_t>);
        static_assert(is_same_some_of_v<std::string, int, char*, std::string>);
        static_assert(!is_same_some_of_v<std::string, int, char*>);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-メンバ関数の存在の診断

    //  exercise/template_q/exists_func.cpp 3
    // [Q]
    // テンプレートパラメータの型がメンバ関数c_str()を持つか否かを判定する
    // クラステンプレートhas_c_str<T>と定数テンプレートhas_c_str_v<T>を作れ。

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, has_c_str)
    {
    #if 0
        static_assert(has_c_str_v<std::string>);
        static_assert(!has_c_str_v<std::vector<int>>);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-範囲for文のオペランドになれるかどうかの診断

    //  exercise/template_q/exists_func.cpp 20
    // [Q]
    // 範囲for文は、
    //      for(auto a : obj ) { ... }
    // のような形式で表現される。
    // テンプレートパラメータから生成されたオブジェクトが、
    // このobjに指定できるか否かを判定するクラステンプレートis_range<T>
    // と定数テンプレートis_range_v<T>を作れ。

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, is_range)
    {
    #if 0
        static_assert(is_range_v<std::string>);
        static_assert(is_range_v<std::vector<int>>);
        static_assert(!is_range_v<std::mutex>);
        static_assert(!is_range_v<std::lock_guard<std::mutex>>);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-配列の長さの取り出し

    //  exercise/template_q/array_op.cpp 3
    // [Q]
    // 配列を引数に取り、その長さを返す関数テンプレートarray_lengthを作れ。

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, array_length)
    {
    #if 0
        int         i[5];
        std::string str[]{"a", "b", "c"};

        static_assert(array_length(i) == 5);
        static_assert(array_length(str) == 3);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-配列の次元の取り出し

    //  exercise/template_q/array_op.cpp 22
    // [Q]
    // 配列を引数に取り、その次元を返す関数テンプレートarray_dimensionを作れ。

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, array_dimension)
    {
    #if 0
        constexpr int i1[5]{};
        constexpr int i2[5][2]{};
        constexpr int i3[5][2][3]{};

        static_assert(array_dimension(i1) == 1);
        static_assert(array_dimension(i2) == 2);
        static_assert(array_dimension(i3) == 3);
    #endif
    }
    }  // namespace

演習-関数型のテンプレートパラメータを持つクラステンプレート

    //  exercise/template_q/scoped_guard.cpp 8
    // [Q]
    // RAIIを行うための下記クラスscoped_guardをstd::functionを使わずに再実装せよ。

    class scoped_guard {
    public:
        explicit scoped_guard(std::function<void()> f) noexcept : f_{f} {}
        ~scoped_guard() { f_(); }

        scoped_guard(scoped_guard const&)   = delete;
        void operator=(scoped_guard const&) = delete;

    private:
        std::function<void()> f_;
    };

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingQ, scoped_guard)
    {
        {
            auto demangled = abi::__cxa_demangle(typeid(std::vector<int>).name(), 0, 0, nullptr);
            auto sg        = scoped_guard{[demangled]() noexcept { free(demangled); }};

            ASSERT_STREQ("std::vector<int, std::allocator<int> >", demangled);
        }
        {
            auto stream = popen("ls " __FILE__, "r");
            auto sg     = scoped_guard{[stream]() noexcept { fclose(stream); }};

            char buff[256]{};
            fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream);

            ASSERT_STREQ("scoped_guard.cpp\n", buff);
        }
    }
    }  // namespace

解答

この章の構成

   プログラミング規約(型)
   プログラミング規約(クラス)
   プログラミング規約(関数)
   プログラミング規約(構文)
   プログラミング規約(演算子)
   プログラミング規約(スコープ)
   プログラミング規約(その他)
   SOLID
   デザインパターン
   開発プロセスとインフラ(全般)
   テンプレートメタプログラミング

このドキュメントの構成に戻る。


プログラミング規約(型)

解答-汎整数型の選択

解答例-汎整数型の演算

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 14
    TEST(ProgrammingConventionTypeA, GeneralInteger)
    {
        // [A]
        // 以下の組み込み型の使用方法は、その下のテストコードを(環境依存で)パスするが、
        // 適切であるとは言えない。適切な型に修正せよ。
        int32_t b{1};
        int32_t i{b};
        int32_t c{-1};

        ASSERT_EQ(i * c, -1);
    }

解答例-浮動小数点型

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 28
    double f(double a) noexcept { return 1 / a; }

    template <typename FLOAT_0, typename FLOAT_1>
    bool is_equal(FLOAT_0 lhs, FLOAT_1 rhs)
    {
        static_assert(std::is_floating_point_v<FLOAT_0>, "FLOAT_0 shoud be float or double.");
        static_assert(std::is_same_v<FLOAT_0, FLOAT_1>, "FLOAT_0 and FLOAT_1 shoud be a same type.");

        return std::abs(lhs - rhs) <= std::numeric_limits<FLOAT_0>::epsilon();
    }

    TEST(ProgrammingConventionTypeA, Float)
    {
        // [A]
        // 以下の両辺を同一と判定するための関数を作り、その関数の単体テストを行え。
        ASSERT_TRUE(is_equal(1.0, 1 + 0.001 - 0.001));

        // [A]
        // 以下の0除算を捕捉するためのコードを書け。
        std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);  // エラーをクリア
        f(0.0);
        ASSERT_TRUE(std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT) & FE_DIVBYZERO);
        std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);  // エラーをクリア
    }

解答-定数列挙

解答例-enum

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 55
    // [A]
    // 以下のマクロ引数を型安全なenumに修正せよ

    enum class Color { Red, Green, Blue };

    std::string GetString(Color color)
    {
        switch (color) {
        case Color::Red:
            return "Red";
        case Color::Green:
            return "Green";
        case Color::Blue:
            return "Blue";
        default:
            assert(false);
            return "";
        }
    }

    TEST(ProgrammingConventionTypeA, Enum)
    {
        ASSERT_EQ(std::string{"Red"}, GetString(Color::Red));
        ASSERT_EQ(std::string{"Green"}, GetString(Color::Green));
        ASSERT_EQ(std::string{"Blue"}, GetString(Color::Blue));
    }

解答例-配列の範囲for文

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 84
    int32_t array_value() noexcept
    {
        static int32_t i;

        return i++;
    }

    TEST(ProgrammingConventionTypeA, Array)
    {
        // [A]
        // 以下の配列の値の設定を範囲for文を使って書き直せ
        int32_t array[10];

        for (auto& a : array) {
            a = array_value();
        }

        ASSERT_EQ(0, array[0]);
        ASSERT_EQ(3, array[3]);
        ASSERT_EQ(9, array[9]);
    }

解答例-エイリアス

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 108
    // [A]
    // 以下のtypedefをC++11から導入された新しい形式のエイリアスに直せ。
    using uchar     = unsigned char;
    using func_type = bool (*)(int32_t);

    // [A]
    // template引数で与えられた型のオブジェクトをstd::vectorで保持するエイリアスtemplateを
    // 定義し、その単体テストを行え。
    template <class T>
    using TypeVector = std::vector<T>;

    TEST(ProgrammingConventionTypeA, Alias)
    {
        auto a = TypeVector<std::string>{"abc", "de", "f"};

        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"abc", "de", "f"}), a);
        ASSERT_EQ(3, a.size());
    }

解答-constの意味

解答例-const/constexpr

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 129
    // [A]
    // 下記のStringHolderに「const/constexprを付加する」等を行い、より良いコードに修正せよ。

    class StringHolder {
    public:
        StringHolder() = default;
        void Add(std::string const& str)
        {
            if (vector_len_max_ > strings_.size()) {
                strings_.push_back(str);
            }
        }

        std::vector<std::string> const& GetStrings() const noexcept { return strings_; }

    private:
        static constexpr size_t  vector_len_max_{3};
        std::vector<std::string> strings_{};
    };

    TEST(ProgrammingConventionTypeA, ConstConstexpr)
    {
        auto sh = StringHolder{};

        ASSERT_EQ(std::vector<std::string>{}, sh.GetStrings());

        sh.Add("a");
        sh.Add(std::string{"bc"});
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "bc"}), sh.GetStrings());

        sh.Add("def");
        sh.Add(std::string{"g"});
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "bc", "def"}), sh.GetStrings());
    }

解答例-危険なconst_cast

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 166
    // [A]
    // 下記の"DISABLED_"を削除し、何が起こるのか、なぜそうなるのかを確かめた上で、
    // nameの型やその初期化を行っているコードを修正せよ。
    TEST(ProgrammingConventionTypeA, ConstConstexpr2)
    {
        char name[] = "abcdef";

        for (auto& n : name) {
            n = std::toupper(n);
        }

        ASSERT_STREQ("ABCDEF", name);
        ASSERT_EQ("ABCDEF", std::string{name});
    }

解答例-リテラル

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 186
    int32_t literal_test(int64_t) noexcept { return 0; }
    int32_t literal_test(int32_t*) noexcept { return 1; }

    // [A]
    // 下記変数の初期化コードをコメントに基づき適切に修正せよ。
    TEST(ProgrammingConventionTypeA, Literal)
    {
        int32_t* p{nullptr};                // NULLは使用不可
        uint64_t a{0x1234'5678'90ab'cdef};  // 適切なセパレータを挿入
        int32_t  b{0b0111'0001'0101};       // ビット表現に修正

        // [A]
        // 下記resultはfalseになるが、その理由を述べ、trueになるようにコードを修正せよ。
        bool const result{(literal_test(nullptr) == literal_test(p))};
        ASSERT_TRUE(result);

        ASSERT_EQ(0x1234567890abcdef, a);
        ASSERT_EQ(b, 0x715);
    }

解答-適切なautoの使い方

解答-ポインタの初期化

解答-vector初期化

解答例-インスタンスの初期化

    //  exercise/programming_convention_a/type.cpp 209
    TEST(ProgrammingConventionTypeA, Initialization)
    {
        // [A]
        // 変数a、b、v、wの定義と初期化を1文で行え。
        {
            int32_t a[3]{1, 1, 1};

            ASSERT_EQ(1, a[0]);
            ASSERT_EQ(1, a[1]);
            ASSERT_EQ(1, a[2]);
        }
        {
            int32_t b[3]{};

            ASSERT_EQ(0, b[0]);
            ASSERT_EQ(0, b[1]);
            ASSERT_EQ(0, b[2]);
        }
        {
            auto v = std::vector<std::string>{3, std::string{"1"}};

            ASSERT_EQ("1", v[0]);
            ASSERT_EQ("1", v[1]);
            ASSERT_EQ("1", v[2]);
        }
        {
            auto w = std::vector<std::string>{"0", "1", "2"};

            ASSERT_EQ("0", w[0]);
            ASSERT_EQ("1", w[1]);
            ASSERT_EQ("2", w[2]);
        }
    }

プログラミング規約(クラス)

解答-凝集度の意味

解答例-凝集度の向上

    //  exercise/programming_convention_a/class.cpp 7
    // [A]
    // 以下のクラスABCの凝集度が高くなるように、ABC、HasRealNumberSolutionをリファクタリングせよ。
    // その時に、他の問題があればそれも併せて修正せよ。

    class ABC {  // 2次方程式のパラメータ保持
    public:
        explicit ABC(int32_t a, int32_t b, int32_t c) noexcept : a_{a}, b_{b}, c_{c} {}

        bool HasRealNumberSolution() const noexcept { return 0 <= discriminant(); }

    private:
        int32_t const a_;
        int32_t const b_;
        int32_t const c_;

        int32_t discriminant() const noexcept  // 判定式
        {
            return b_ * b_ - 4 * a_ * c_;
        }
    };

    bool HasRealNumberSolution(ABC const& abc) noexcept { return abc.HasRealNumberSolution(); }

    TEST(ProgrammingConventionClassA, Cohision)
    {
        {
            auto const abc = ABC{1, 2, 1};

            ASSERT_TRUE(HasRealNumberSolution(abc));
        }
        {
            auto const abc = ABC{2, 0, 1};

            ASSERT_FALSE(HasRealNumberSolution(abc));
        }
    }

解答-メンバ変数の初期化方法の選択

解答-メンバの型

解答例-メンバ変数の初期化

    //  exercise/programming_convention_a/class.cpp 46
    // [A]
    // 以下のMemberInitのメンバ変数を適切な方法で初期化せよ。

    class MemberInit {
    public:
        MemberInit() noexcept {}

        explicit MemberInit(int a) noexcept : a_{a}, b_{a, 99} {}

        int32_t GetA() const noexcept { return a_; }

        static constexpr size_t b_len{2};
        int32_t const (&GetB() const noexcept)[b_len] { return b_; }
        int32_t GetC() const noexcept { return c_; }

    private:
        int32_t const a_{0};
        int32_t const b_[b_len]{1, 1};
        int32_t const c_{2};
    };

    TEST(ProgrammingConventionClassA, MemberInit)
    {
        {
            auto mi = MemberInit{};

            ASSERT_EQ(0, mi.GetA());
            ASSERT_EQ(1, mi.GetB()[0]);
            ASSERT_EQ(1, mi.GetB()[1]);
            ASSERT_EQ(2, mi.GetC());
        }
        {
            auto mi = MemberInit{1};

            ASSERT_EQ(1, mi.GetA());
            ASSERT_EQ(1, mi.GetB()[0]);
            ASSERT_EQ(99, mi.GetB()[1]);
            ASSERT_EQ(2, mi.GetC());
        }
    }

解答例-スライシング

    //  exercise/programming_convention_a/class.cpp 89
    // [A]
    // 以下のクラスBaseはオブジェクトのスライシングを引き起こす。
    // このような誤用を起こさないようにするために、Baseオブジェクトのコピーを禁止せよ。
    // 合わせてクラスDerivedも含め、不十分な記述を修正せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(char const* name = nullptr) noexcept : name_{name == nullptr ? "Base" : name} {}
        virtual ~Base() = default;

        virtual char const* Name0() const noexcept { return "Base"; }
        char const*         Name1() const noexcept { return name_; }

        Base& operator=(Base const& rhs) = delete;
        Base(Base const&)                = delete;

    private:
        char const* name_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        Derived() noexcept : Base{"Derived"} {}

        virtual char const* Name0() const noexcept override { return "Derived"; }
    };

    TEST(ProgrammingConventionClassA, Slicing)
    {
        auto  b     = Base{};
        auto  d     = Derived{};
        Base& d_ref = d;

        // 以下はBase、Derivedの単純なテスト
        ASSERT_STREQ("Base", b.Name0());
        ASSERT_STREQ("Base", b.Name1());
        ASSERT_STREQ("Derived", d_ref.Name0());
        ASSERT_STREQ("Derived", d_ref.Name1());

    #if 0
        // Base::operator=(Base const& rhs)をdeleteしたためにこのような誤用はコンパイルエラーになる。

        // 以下はbがスライスされたオブジェクトであることのテスト
        // こういった誤用を防ぐためにBaseのコピーを禁止せよ。
        b = d_ref;
        ASSERT_STREQ("Base", b.Name0());     // vtblはBaseになるから
        ASSERT_STREQ("Derived", b.Name1());  // name_はコピーされるから
    #else
        // 意図的に上記のようなことがしたい場合、下記のようにするべき。
        auto b_copy = Base{d_ref.Name0()};
        ASSERT_STREQ("Base", b_copy.Name0());     // vtblはBaseになるから
        ASSERT_STREQ("Derived", b_copy.Name1());  // name_はコピーされるから
    #endif
    }

解答例-オブジェクトの所有権

    //  exercise/programming_convention_a/class.cpp 146
    class A {
    public:
        explicit A(int32_t n) noexcept : num_{n} { last_constructed_num_ = num_; }
        ~A() { last_destructed_num_ = num_; }

        int32_t GetNum() const noexcept { return num_; }

        static int32_t LastConstructedNum() noexcept { return last_constructed_num_; }
        static int32_t LastDestructedNum() noexcept { return last_destructed_num_; }

    private:
        int32_t        num_;
        static int32_t last_constructed_num_;
        static int32_t last_destructed_num_;
    };

    int32_t A::last_constructed_num_ = -1;
    int32_t A::last_destructed_num_  = -1;

    class X final {
    public:
        void Move(std::unique_ptr<A>&& ptr) noexcept
        {
            ptr_ = std::move(ptr);  // ptr->ptr_へ所有権の移動
        }

        std::unique_ptr<A> Release() noexcept
        {
            return std::move(ptr_);  // ptr_から外部への所有権の移動
        }

        A const* GetA() const noexcept { return ptr_.get(); }
        X()  = default;
        ~X() = default;

    private:
        std::unique_ptr<A> ptr_{};
    };

    TEST(ProgrammingConventionClassA, Ownership)
    {
        // [A]
        // 以下の単体テストを完成させよ。

        ASSERT_EQ(-1, A::LastConstructedNum());     // まだ、A::A()は呼ばれてない
        ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない

        auto a0 = std::make_unique<A>(0);           // a0はA(0)を所有
        auto a1 = std::make_unique<A>(1);           // a1はA(1)を所有
        auto x = X {};

        ASSERT_EQ(1,  A::LastConstructedNum());     // A(1)は生成された
        ASSERT_EQ(-1, A::LastDestructedNum());      // まだ、A::~A()は呼ばれてない
        ASSERT_EQ(0, a0->GetNum());                 // a0はA(0)を所有
        x.Move(std::move(a0));                      // a0からxへA(0)の所有権の移動
        ASSERT_FALSE(a0);                           // a0は何も所有していない

        ASSERT_EQ(1, a1->GetNum());                 // a1はA(1)を所有
        x.Move(std::move(a1));                      // xによるA(0)の解放
                                                    // a1からxへA(1)の所有権の移動
        ASSERT_EQ(0, A::LastDestructedNum());       // A(0)は解放された
        ASSERT_FALSE(a1);                           // a1は何も所有していない
        ASSERT_EQ(1, x.GetA()->GetNum());           // xはA(1)を所有

        std::unique_ptr<A> a2{x.Release()};         // xからa2へA(1)の所有権の移動
        ASSERT_EQ(nullptr, x.GetA());               // xは何も所有していない
        ASSERT_EQ(1, a2->GetNum());                 // a2はA(1)を所有
        {
            std::unique_ptr<A> a3{std::move(a2)};
            ASSERT_FALSE(a2);                       // a2は何も所有していない
            ASSERT_EQ(1, a3->GetNum());             // a3はA(1)を所有
        }                                           // a3によるA(1)の解放
        ASSERT_EQ(1, A::LastDestructedNum());
    }

プログラミング規約(関数)

解答例-非メンバ関数の宣言

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 11
    TEST(ProgrammingConventionFuncA, NonMemberFunc)
    {
        // [A]
        // 適切な#includeを追加し、上記のextern宣言がなくとも下記がコンパイルできるようにせよ。

        // このファイルの先頭付近に
        // #include <cmath>
        // を追加した。

        ASSERT_EQ(1, cos(0));
    }

解答例-メンバ関数の修飾

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 25
    // [A]
    // 下記のクラスAのメンバ関数の不正確な記述を修正せよ。
    // また、単体テストを同様に修正せよ。

    class A {
    public:
        A() : strings_{GetStringsDefault()} {}

        void SetStrings(size_t index, std::string str)
        {
            if (index < max_len) {
                strings_[index] = str;
            }
        }

        std::vector<std::string>&       GetStrings() noexcept { return strings_; }
        std::vector<std::string> const& GetStrings() const noexcept { return strings_; }
        constexpr size_t                MaxLen() const noexcept { return max_len; }

        static std::vector<std::string> const& GetStringsDefault()
        {
            static const std::vector<std::string> strings_default{max_len, ""};
            return strings_default;
        }

    private:
        std::vector<std::string> strings_;
        static constexpr size_t  max_len{3};
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, MemberFunc)
    {
        auto a = A{};

        auto const& strings_default = a.GetStringsDefault();
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{a.MaxLen(), ""}), strings_default);

        auto const& strings = a.GetStrings();

        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{a.MaxLen(), ""}), strings);

        a.SetStrings(1, "TEST");
        ASSERT_EQ("", strings[0]);

        // [A]
        // このテストをASSERT_EQでパスできるようにせよ
        ASSERT_EQ("TEST", strings[1]);

        ASSERT_EQ("", strings[2]);

        // 上記は下記のように書くべき
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"", "TEST", ""}), strings);
    }

解答例-特殊メンバ関数の削除

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 81
    // [A]
    // 下記クラスAutoGenのコンパイラが自動生成するメンバ関数を生成しないようにせよ。

    class AutoGen {
    public:
        AutoGen()  = delete;
        ~AutoGen() = delete;

        AutoGen(AutoGen const&)                = delete;
        AutoGen& operator=(AutoGen const&)     = delete;
        AutoGen(AutoGen&&) noexcept            = delete;
        AutoGen& operator=(AutoGen&&) noexcept = delete;
    };

解答例-委譲コンストラクタ

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 97
    // [A]
    // 下記クラスDelConstructorの2つのコンストラクタのコードクローンをできるだけ排除せよ。

    class DelConstructor {
    public:
        explicit DelConstructor(std::string const& str)
            : str0_{str + "0"}, str1_{str + "1"}, str2_{str + "2"}
        {
        }

        explicit DelConstructor(int32_t num) : DelConstructor{std::to_string(num) + "_"} {}

        std::string const& GetString0() const { return str0_; }
        std::string const& GetString1() const { return str1_; }
        std::string const& GetString2() const { return str2_; }

    private:
        std::string const str0_;
        std::string const str1_;
        std::string const str2_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Constructor)
    {
        {
            auto const dc = DelConstructor{"hehe"};

            ASSERT_EQ("hehe0", dc.GetString0());
            ASSERT_EQ("hehe1", dc.GetString1());
            ASSERT_EQ("hehe2", dc.GetString2());
        }
        {
            auto const dc = DelConstructor{123};

            ASSERT_EQ("123_0", dc.GetString0());
            ASSERT_EQ("123_1", dc.GetString1());
            ASSERT_EQ("123_2", dc.GetString2());
        }
    }

解答例-copyコンストラクタ

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 139
    // [A]
    // 下記クラスIngeter、IntegerHolderに適切にcopyコンストラクタ、copy代入演算子を追加して、
    // 単体テストを行え。
    class Integer {
    public:
        explicit Integer(int32_t i) noexcept : i_{i} {}

        Integer(Integer const& rhs) noexcept = default;

        Integer& operator=(Integer const& rhs) noexcept = default;

        int32_t GetValue() const noexcept { return i_; }

    private:
        int32_t i_;
    };

    class IntegerHolder {
    public:
        explicit IntegerHolder(int32_t i) : integer_{std::make_unique<Integer>(i)} {}

        IntegerHolder(IntegerHolder const& rhs) : integer_{std::make_unique<Integer>(*rhs.integer_)} {}

        IntegerHolder& operator=(IntegerHolder const& rhs)
        {
            *integer_ = *(rhs.integer_);
            return *this;
        }

        int32_t GetValue() const noexcept { return integer_->GetValue(); }

    private:
        std::unique_ptr<Integer> integer_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Constructor2)
    {
        {
            auto i = Integer{3};
            ASSERT_EQ(3, i.GetValue());

            auto j = Integer{i};
            ASSERT_EQ(3, j.GetValue());

            auto k = Integer{0};
            ASSERT_EQ(0, k.GetValue());

            k = i;
            ASSERT_EQ(3, k.GetValue());
        }
        {
            auto i = IntegerHolder{3};
            ASSERT_EQ(3, i.GetValue());

            auto j = IntegerHolder{i};
            ASSERT_EQ(3, j.GetValue());

            auto k = IntegerHolder{0};
            ASSERT_EQ(0, k.GetValue());

            k = i;
            ASSERT_EQ(3, k.GetValue());
        }
    }

解答例-moveコンストラクタ

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 206
    // [A]
    // 上記問題を解決したIntegerHolderにmoveコンストラクタ、move演算子を追加した
    // クラスIntegerHolder2を作成し、単体テストを行え。

    class IntegerHolder2 {
    public:
        explicit IntegerHolder2(int32_t i) : integer_{std::make_unique<Integer>(i)} {}

        IntegerHolder2(IntegerHolder2 const& rhs) : integer_{std::make_unique<Integer>(*rhs.integer_)}
        {
        }

        IntegerHolder2(IntegerHolder2&& rhs) noexcept : integer_{std::move(rhs.integer_)} {}

        IntegerHolder2& operator=(IntegerHolder2 const& rhs) noexcept
        {
            *integer_ = *(rhs.integer_);
            return *this;
        }

        IntegerHolder2& operator=(IntegerHolder2&& rhs) noexcept
        {
            integer_ = std::move(rhs.integer_);
            return *this;
        }

        int32_t GetValue() const
        {
            if (!integer_) {
                throw std::bad_exception{};
            }
            return integer_->GetValue();
        }

    private:
        std::unique_ptr<Integer> integer_;
    };

    #ifndef __clang_analyzer__
    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Move)
    {
        {
            auto i = IntegerHolder2{3};
            auto j = IntegerHolder2{std::move(i)};

            ASSERT_EQ(3, j.GetValue());

            ASSERT_THROW(i.GetValue(), std::bad_exception);
        }
        {
            auto i = IntegerHolder2{30};
            auto j = IntegerHolder2{0};

            ASSERT_EQ(0, j.GetValue());

            j = std::move(i);

            ASSERT_EQ(30, j.GetValue());

            ASSERT_THROW(i.GetValue(), std::bad_exception);
        }
    }
    #endif

解答例-関数分割

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 272
    // [A]
    // 下記PrimeNumbersは引数で与えられた整数以下の素数を返す関数である。
    // PrimeNumbersの単体テストを作成し、その後、行数を短くする等のリファクタリングを行え。

    namespace {
    uint32_t next_prime_num(uint32_t curr_prime_num, std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept
    {
        for (auto i = 2 * curr_prime_num; i < is_num_prime.size(); i += curr_prime_num) {
            is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
        }

        auto prime_num = curr_prime_num;

        do {  // 次の素数の探索
            ++prime_num;
        } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

        return prime_num;
    }
    }  // namespace

    std::vector<uint32_t> PrimeNumbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result = std::vector<uint32_t>{};

        if (max_number < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない。
            return result;
        }

        auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない。
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Lines)
    {
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), PrimeNumbers(0));
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), PrimeNumbers(1));
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2}), PrimeNumbers(2));
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), PrimeNumbers(3));
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7}), PrimeNumbers(8));
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), PrimeNumbers(30));
    }

解答-オーバーライド関数の修飾

解答例-オーバーライド/オーバーロード

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 325
    // [A]
    // 下記クラスBase、Derivedの単体テストを完成せよ。

    class Base {
    public:
        virtual ~Base() = default;
        int32_t f() noexcept { return 0; }

        virtual int32_t g() noexcept { return 0; }
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        int32_t f() noexcept { return 1; }

        virtual int32_t g() noexcept override { return 1; }
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Overload)
    {
        auto  b     = Base{};
        auto  d     = Derived{};
        Base& d_ref = d;

        ASSERT_EQ(0, b.f());
        ASSERT_EQ(0, b.g());

        ASSERT_EQ(1, d.f());
        ASSERT_EQ(1, d.g());

        ASSERT_EQ(0, d_ref.f());
        ASSERT_EQ(1, d_ref.g());
    }

解答例-オーバーロードによる誤用防止

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 361
    // [A]
    // 下記関数Squareは、引数が浮動小数点となることを想定していない。
    // 誤用を防ぐために、引数に浮動小数点を指定された場合、コンパイルできないようにせよ。
    int32_t Square(int32_t a) noexcept { return a * a; }
    int32_t Square(double a) noexcept = delete;

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Overload2)
    {
        ASSERT_EQ(9, Square(3));
    #if 0  // int32_t Square(double a) = delete;により下記はコンパイルできない。
        ASSERT_EQ(4, Square(2.5));
    #endif
    }

解答例-仮引数の修飾

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 377
    // [A]
    // 下記AddStringsの仮引数等を適切に修正せよ。
    using Strings = std::list<std::string>;
    Strings AddStrings(Strings const& a, Strings const* b)
    {
        auto ret = a;

        if (b == nullptr) {
            return ret;
        }

        ret.insert(ret.end(), b->begin(), b->end());

        return ret;
    }

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, Parameter)
    {
        auto a = Strings{"abc", "d"};
        auto b = Strings{"e", "fgh", "i"};

        auto ret = AddStrings(a, nullptr);
        ASSERT_EQ(ret, (Strings{"abc", "d"}));

        ret = AddStrings(a, &b);
        ASSERT_EQ(ret, (Strings{"abc", "d", "e", "fgh", "i"}));

        ASSERT_EQ(AddStrings(a, nullptr), (Strings{"abc", "d"}));

        ASSERT_EQ(AddStrings(a, &b), (Strings{"abc", "d", "e", "fgh", "i"}));
    }

解答例-constexpr関数

    //  exercise/programming_convention_a/func.cpp 411
    // [A]
    // 下記Factorialをconstexpr関数にせよ。
    constexpr uint32_t Factorial(uint32_t a) noexcept
    {
        if (a == 0 || a == 1) {
            return 1;
        }

        return Factorial(a - 1) * a;
    }

    TEST(ProgrammingConventionFuncA, ConstexprFunc)
    {
        static_assert(1 == Factorial(0), "Factorial fail");
        ASSERT_EQ(1, Factorial(0));
        ASSERT_EQ(6, Factorial(3));
        ASSERT_EQ(120, Factorial(5));
        ASSERT_EQ(3628800, Factorial(10));
    }

解答-エクセプションの型

プログラミング規約(構文)

解答例-コンテナの範囲for文

    //  exercise/programming_convention_a/syntax.cpp 8
    // [A]
    // 下記Accumlateのfor文を
    //  * イテレータを使ったfor文を使用したAccumlate2
    //  * 範囲for文を使用したAccumlate3
    // を作り、それらの単体テストを行え。また、その時にその他の不具合があれば合わせて修正せよ。

    std::string Accumlate(std::vector<std::string> const& strings) noexcept
    {
        auto ret = std::string{};

        for (auto i = 0U; i < strings.size(); ++i) {
            ret += strings[i];
        }

        return ret;
    }

    std::string Accumlate2(std::vector<std::string> const& strings) noexcept
    {
        auto ret = std::string{};

    #if 0  // old style
        for (std::vector<std::string>::const_iterator it = strings.cbegin(); it != strings.cend(); ++it) {
            ret += *it;
        }
    #else
        for (auto it = strings.cbegin(); it != strings.cend(); ++it) {
            ret += *it;
        }
    #endif

        return ret;
    }

    std::string Accumlate3(std::vector<std::string> const& strings) noexcept
    {
        auto ret = std::string{};

        for (auto const& s : strings) {
            ret += s;
        }

        return ret;
    }

    TEST(ProgrammingConventionSyntaxA, RangeFor)
    {
        ASSERT_EQ("abcd", Accumlate(std::vector<std::string>{"a", "b", "cd"}));
        ASSERT_EQ("ABCD", Accumlate2(std::vector<std::string>{"A", "B", "CD"}));
        ASSERT_EQ("AbCd", Accumlate3(std::vector<std::string>{"A", "b", "Cd"}));
    }

解答例-ラムダ式

    //  exercise/programming_convention_a/syntax.cpp 62
    // [A]
    // 下記のcopy_ifの第4引数をラムダ式を使って書き直せ。

    TEST(ProgrammingConventionSyntaxA, Lambda)
    {
        auto data = std::vector<std::string>{"", "abc", "", "d"};

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        std::copy_if(data.cbegin(), data.cend(), std::back_inserter(ret),
                     [](auto const& s) noexcept { return s.size() != 0; });
        ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"abc", "d"}), ret);
    }

解答例-ラムダ式のキャプチャ

    //  exercise/programming_convention_a/syntax.cpp 78
    // [A]
    // 下記Lambda::GetNameLessThan()のラムダ式の問題点を修正し、単体テストを行え。
    class Lambda {
    public:
        explicit Lambda(std::vector<std::string>&& strs) : strs_{std::move(strs)} {}
        std::vector<std::string> GetNameLessThan(uint32_t length) const
        {
            auto ret = std::vector<std::string>{};

            std::copy_if(strs_.cbegin(), strs_.cend(), std::back_inserter(ret),
                         [length = length](auto const& str) noexcept { return (str.size() < length); });

            return ret;
        }

    private:
        std::vector<std::string> strs_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionSyntaxA, Lambda2)
    {
        auto lambda = Lambda{{"abc", "abcdef", "a"}};

        ASSERT_EQ(lambda.GetNameLessThan(4), (std::vector<std::string>{"abc", "a"}));
        ASSERT_EQ(lambda.GetNameLessThan(2), (std::vector<std::string>{"a"}));
        ASSERT_EQ(lambda.GetNameLessThan(1), (std::vector<std::string>{}));
    }

プログラミング規約(演算子)

解答例-条件演算子

    //  exercise/programming_convention_a/operator.cpp 8
    // [A]
    // 下記whichのif文を三項演算子を使用して書き直せ。
    int32_t which(bool left, int32_t lhs, int32_t rhs) noexcept { return left ? lhs : rhs; }

    TEST(ProgrammingConventionOperatorA, OoOperator)
    {
        ASSERT_EQ(3, which(true, 3, 4));
        ASSERT_EQ(4, which(false, 3, 4));
    }

解答例-delete

    //  exercise/programming_convention_a/operator.cpp 20
    // [A]
    // 下記DeleteProblemのメモリ管理の問題を修正せよ。
    // また、他の問題があれば、合わせて修正せよ。
    class DeleteProblem {
    public:
        DeleteProblem(char const* str0 = nullptr, char const* str1 = nullptr)
            : str0_{(str0 == nullptr) ? std::unique_ptr<std::string>{}
                                      : std::make_unique<std::string>(str0)},
              str1_{(str1 == nullptr) ? std::unique_ptr<std::string>{}
                                      : std::make_unique<std::string>(str1)}
        {
        }

        DeleteProblem(DeleteProblem const&)            = delete;
        DeleteProblem& operator=(DeleteProblem const&) = delete;

        std::string const* GetStr0() const noexcept { return str0_.get(); }
        std::string const* GetStr1() const noexcept { return str1_.get(); }

    private:
        std::unique_ptr<std::string> str0_;
        std::unique_ptr<std::string> str1_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionOperatorA, Delete)
    {
        {
            auto const dp = DeleteProblem{};

            ASSERT_EQ(nullptr, dp.GetStr0());
            ASSERT_EQ(nullptr, dp.GetStr1());
        }
        {
            auto const dp = DeleteProblem{"abc"};

            ASSERT_EQ("abc", *dp.GetStr0());
            ASSERT_EQ(nullptr, dp.GetStr1());
        }
        {
            auto const dp = DeleteProblem{"abc", "de"};

            ASSERT_EQ("abc", *dp.GetStr0());
            ASSERT_EQ("de", *dp.GetStr1());
        }
    }

解答例-sizeof

    //  exercise/programming_convention_a/operator.cpp 71
    // [A]
    // 下記Size1() - Size4()の単体テストを作れ。
    size_t Size0(int32_t a) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size1(int32_t a[10]) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size2(int32_t a[]) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size3(int32_t* a) noexcept { return sizeof(a); }

    size_t Size4(int32_t (&a)[10]) noexcept { return sizeof(a); }

    TEST(ProgrammingConventionOperatorA, Sizeof)
    {
        int32_t array[10]{};

        ASSERT_EQ(4, Size0(array[0]));
        ASSERT_EQ(sizeof(void*), Size1(array));
        ASSERT_EQ(sizeof(void*), Size2(array));
        ASSERT_EQ(sizeof(void*), Size3(array));
        ASSERT_EQ(sizeof(int32_t) * 10, Size4(array));
    }

解答例-dynamic_castの削除

    //  exercise/programming_convention_a/operator.cpp 97
    // [A]
    // 下記クラスX、Y、ZとGetNameをdynamic_castを使わずに書き直せ。

    class X {
    public:
        virtual std::string GetName() const { return "X"; }

        virtual ~X() = default;
    };

    class Y : public X {
    public:
        virtual std::string GetName() const override { return "Y"; }
    };

    class Z : public X {
    public:
        virtual std::string GetName() const override { return "Z"; }
    };

    std::string GetName(X const& x) { return x.GetName(); }

    TEST(ProgrammingConventionOperatorA, Cast)
    {
        auto x = X{};
        auto y = Y{};
        auto z = Z{};

        ASSERT_EQ("X", GetName(x));
        ASSERT_EQ("Y", GetName(y));
        ASSERT_EQ("Z", GetName(z));
    }

解答-キャスト

プログラミング規約(スコープ)

解答-usingディレクティブ

プログラミング規約(その他)

解答-アサーションの選択

解答例-assert/static_assert

    //  exercise/programming_convention_a/etc.cpp 10
    // [A]
    // 下記FloatingPointは、Tが浮動小数点型、Tのインスタンスは非0であることを前提としている。
    // 適切にアサーションを挿入して誤用を防げ。

    template <typename T>
    class FloatingPoint {
    public:
        static_assert(std::is_floating_point_v<T>, "T must be floating point type");
        FloatingPoint(T num) noexcept : num_{num} { assert(num != 0); }

        T Get() const noexcept { return num_; }
        T Reciprocal() const noexcept { return 1 / num_; }

    private:
        T const num_;
    };

    TEST(ProgrammingConventionFuncA_Opt, Assertion)
    {
        auto f1 = FloatingPoint<float>{1.0F};
        auto d1 = FloatingPoint<double>{1.0};

        ASSERT_EQ(f1.Get(), 1.0F);
        ASSERT_EQ(d1.Get(), 1.0);
        ASSERT_DEATH(FloatingPoint<float>{0}, "num != 0");
        ASSERT_DEATH(FloatingPoint<double>{0}, "num != 0");

    #if 0  // コンパイルできない。
        auto i = FloatingPoint<int32_t>{1};
    #endif
    }

SOLID

解答例-SRP

    //  exercise/solid_a/srp_test_score.h 8
    // [A]
    // 下記クラスTestScoreはメンバにする必要のない関数までメンバにしてるため、
    // インターフェースが肥大化してしまい、少なくともSRPに反している。
    // メンバにする必要のないStoreCSVを外部関数にせよ。
    // また、受験者の平均点を求める
    //      TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    // を同様の方法で作り、単体テストを行え。

    class TestScore {
    public:
        ...

        // void StoreCSV(std::string const& filename) const;
        // は外部関数にした。
        void LoadCSV(std::string const& filename);

        ...
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    //  exercise/solid_a/srp_test_score.cpp 10

    namespace {

    ...

    bool is_valid_score(int32_t score) noexcept { return 0 <= score && score <= 100; }

    bool not_score(int32_t score) noexcept { return score == -1; }
    }  // namespace

    void TestScore::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score) || not_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    void TestScore::AddScore(TestScore::ScoreOne_t const& one_test_score)
    {
        for (auto const& pair : one_test_score) {
            validate_score(pair.second);
        }

        if (test_score_row_.size() == 0) {
            test_score_row_[one_test_score[0].first] = std::vector<int32_t>{};
        }

        for (auto& pair : test_score_row_) {
            pair.second.push_back(-1);
        }

        auto curr_test_count = test_score_row_.begin()->second.size();

        for (auto const& pair : one_test_score) {
            if (test_score_row_.find(pair.first) == test_score_row_.end()) {
                test_score_row_[pair.first] = std::vector<int32_t>(curr_test_count, -1);
            }

            test_score_row_[pair.first].back() = pair.second;
        }
    }

    void TestScore::LoadCSV(std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            for (auto const s : pair.second) {
                validate_score(s);
            }
        }

        test_score_row_.swap(test_score_raw);
    }

    void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    ...

    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score)
    {
        auto ret = TestScore::ScoreOne_t{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            auto sum         = 0;
            auto valid_count = 0U;
            for (auto const s : pair.second) {
                if (is_valid_score(s)) {
                    sum += s;
                    ++valid_count;
                }
            }
            ret.emplace_back(std::make_pair(pair.first, valid_count == 0 ? -1 : sum / valid_count));
        }

        return ret;
    }
    //  exercise/solid_a/srp_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    ...

    TEST_F(SolidSRP_A, TestScore_StoreCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);
        StoreCSV(ts, test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(ts.LoadCSV(test_score_exp_err_), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidSRP_A, TestScore_Average)
    {
        auto ts = TestScore{};
        ts.LoadCSV(test_score_org_);

        auto const exp = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 65),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 26),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 53),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 73),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 60),
        };
        auto act = Average(ts);

        ASSERT_EQ(act, exp);
    }
    }  // namespace

解答例-OCP

    //  exercise/solid_a/ocp_test_score.h 8
    // [A]
    // 下記クラスTestScoreは、
    //      * テスト受講者とその点数を保持/提供する。
    //      * テスト受講者とその点数をCSVファイルからロードする。
    // 責任を持つ。サポートするファイル形式が増えた場合、このクラスを修正せざるを得ないため、
    // 機能拡張に対して開いていない。つまり、OCPに反していると言える
    // (実際にはこの程度の違反が問題になることは稀である)。
    //
    // サポートしているファイル形式はCSVのみであったが、TSVを追加することになった。
    // 今後もサポートするファイル形式を増やす必要があるため、OCPに従った方が良いと判断し、
    // TestScoreの責務から「ファイルのロード」を外し、その機能を外部関数として定義することにした。
    // これに従い、下記クラスTestScoreを修正し、外部関数
    //      void LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score);
    // を作り、単体テストを行え。

    class TestScore {
    public:
        TestScore()                            = default;
        TestScore(TestScore const&)            = default;
        TestScore& operator=(TestScore const&) = delete;
        TestScore& operator=(TestScore&&)      = default;  // moveが必要になった

        ...

        // void LoadCSV(std::string const& filename);
        // は外部関数にした。

        ScoreAll_t::const_iterator begin() const noexcept { return test_score_row_.begin(); }
        ScoreAll_t::const_iterator end() const noexcept { return test_score_row_.end(); }

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、-1は未受験、それ以外は不正データ
        void       validate_score(int32_t score) const;
        ScoreAll_t test_score_row_{};
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    void                  LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    //  exercise/solid_a/ocp_test_score.cpp 10

    ...

    void LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score)
    {
        auto data = std::ifstream{filename};

        auto test_score_raw = TestScore::ScoreAll_t{};
        auto line           = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        auto one_test = TestScore::ScoreOne_t{};
        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            one_test.emplace_back(std::make_pair(pair.first, 0));
        }

        auto const score_count = test_score_raw.begin()->second.size();
        auto       ts          = TestScore{};

        for (auto i = 0U; i < score_count; ++i) {
            for (auto& pair : one_test) {
                pair.second = test_score_raw[pair.first][i];
            }
            ts.AddScore(one_test);
        }

        test_score = std::move(ts);
    }

    void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename)
    {
        auto data = std::ofstream{filename};
        auto ss   = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            ss << pair.first;
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ", " << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        data << ss.str();
    }

    std::string ToString(TestScore const& ts)
    {
        auto ss = std::ostringstream{};

        for (auto const& pair : ts) {
            ss << pair.first << ':';
            for (auto const s : pair.second) {
                ss << ' ' << s;
            }
            ss << std::endl;
        }

        return ss.str();
    }

    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score)
    {
        auto ret = TestScore::ScoreOne_t{};

        for (auto const& pair : test_score) {
            auto sum         = 0;
            auto valid_count = 0U;
            for (auto const s : pair.second) {
                if (is_valid_score(s)) {
                    sum += s;
                    ++valid_count;
                }
            }
            ret.emplace_back(std::make_pair(pair.first, valid_count == 0 ? -1 : sum / valid_count));
        }

        return ret;
    }
    //  exercise/solid_a/ocp_test_score_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidOCP_A, TestScore_LoadCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        ...
    }

    ...

    TEST_F(SolidOCP_A, TestScore_AddScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        ...
    }

    TEST_F(SolidOCP_A, TestScore_GetScore)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        ...
    }

    TEST_F(SolidOCP_A, TestScore_StoreCSV)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);
        StoreCSV(ts, test_score_act_);

        auto content_act = whole_file(test_score_act_);
        auto content_exp = whole_file(test_score_exp_);

        ASSERT_EQ(content_exp, content_act);

        // 不正ファイルロード
        auto ts2 = ts;
        ASSERT_THROW(LoadCSV(test_score_exp_err_, ts2), std::out_of_range);

        // エクセプション 強い保証
        ASSERT_TRUE(std::equal(ts.begin(), ts.end(), ts2.begin()));
    }

    TEST_F(SolidOCP_A, TestScore_Average)
    {
        auto ts = TestScore{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts);

        ...
    }
    }  // namespace

解答例-LSP

    //  exercise/solid_a/lsp_test_score.h 8
    // [A]
    // 下記クラスTestScoreが管理するテストのスコアの値は、
    //      * 0~100   テストのスコア
    //      *-1        未受験
    //      * それ以外 不正値であるため、このデータを入力すると
    //                 std::out_of_rangeエクセプションが発生する。
    // を表すが、未受講を許可しない仕様(受験できない場合のスコアは0点)の
    // TestScoreForceも必要になったため下記のように定義した。
    //      * TestScoreForceが管理するテストのスコアの値は
    //           * 0~100   テストのスコア
    //           * それ以外 不正値であるため、このデータを入力すると
    //                      std::out_of_rangeエクセプションが発生する。
    //      * それ以外の動作はTestScoreと同じ。
    //  これは、事前条件(「-1~100を受け入れる」から「0~100を受け入れる」)の強化であるため、
    //  LSPに反する。
    //  これにより起こる問題点を単体テストを用いて指摘せよ。
    //
    // [A]
    // 上記問題を解決するため、クラスTestScoreForceFixedを作り単体テストを行え。
    //
    // [解説]
    // TestScoreForceFixedをTestScoreからprivate継承することで、
    // TestScoreForceFixedとTestScorの関係がis-aの関係ではなくなるためLSPに適合する。
    // 一方で、private継承の影響で、TestScoreForceFixedは、
    //      * void LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score);
    //      * void StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    // 等TestScoreオブジェクトのリファレンスやポインタを受け取る関数が使えなくなる
    // (そもそもそれが目的でprivate継承にした)。
    // これに対処するために、オリジナルのコードをほとんどクローンした
    //      * void LoadCSV(std::string const& filename, TestScoreForceFixed& test_score);
    //      * void StoreCSV(TestScoreForceFixed const& test_score, std::string const& filename);
    // を作ることは当然、誤りである。
    // クローンを作らずに対処するためのコードを単体テストに記述したので参照してほしい。
    // また、TestScoreForceを作ったことが根本的な誤りであった可能性もある。
    // 「未受講データ-1を入力された場合、それをテストスコア0と解釈する」ようなオプションを
    // TestScoreに持たせることも考慮すべきであった。

    class TestScore {
        ...
    };

    class TestScoreForce : public TestScore {
        ...
    };

    class TestScoreForceFixed : TestScore {
    public:
        TestScoreForceFixed()                                      = default;
        virtual ~TestScoreForceFixed()                             = default;
        TestScoreForceFixed(TestScoreForceFixed const&)            = default;
        TestScoreForceFixed& operator=(TestScoreForceFixed const&) = delete;
        TestScoreForceFixed& operator=(TestScoreForceFixed&&)      = default;

        using ScoreAll_t = TestScore::ScoreAll_t;
        using ScoreOne_t = TestScore::ScoreOne_t;

        using TestScore::AddScore;
        using TestScore::GetScore;

        using TestScore::begin;
        using TestScore::end;

    private:
        // int32_t score: 0~100はスコア、それ以外は不正データ
        virtual void validate_score(int32_t score) const override;
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    void                  LoadCSV(std::string const& filename, TestScore& test_score);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    //  exercise/solid_a/lsp_test_score.cpp 10

    ...

    void TestScoreForceFixed::validate_score(int32_t score) const
    {
        if (is_valid_score(score)) {
            return;
        }

        throw std::out_of_range{"Invalid Score"};
    }

    ...
    //  exercise/solid_a/lsp_test_score_ut.cpp 15

    namespace {

    ...

    // [A]
    // ファイルtest_score_org_には、TestScoreForceの不正値が含まれているため、
    // 下記の単体テストでの、
    //      LoadCSV(test_score_org_, ts_f);
    // はエクセプションが発生するべきだが、実際にはパスしてしまう。
    // 一方で、エクセプションが発生するようにLoadCSVを変更するには、LoadCVSの第2引数の
    // ランタイム時の実際の型が必要になってしまうため、この解決手段にも問題がある。

    TEST_F(SolidLSP_A, TestScoreForce_LoadCSV)
    {
        auto ts_f = TestScoreForce{};
        LoadCSV(test_score_org_, ts_f);  // 本来はエクセプションが発生すべき。

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {-1, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts_f.begin(), ts_f.end(), exp.begin()));

        auto const one_score = TestScore::ScoreOne_t{
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("堂林", 50),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("広輔", 40),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("會澤", 70),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("松山", 1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("菊池", -1),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("鈴木", 5),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("田中", 100),
            TestScore::ScoreOne_t::value_type("西川", 90),
        };
    }

    std::pair<std::string, std::vector<int32_t>> parse_line(std::string const& line)
    {
        auto const csv_sep = std::regex{R"( *, *)"};
        auto       name    = std::string{};
        auto       score   = std::vector<int32_t>{};

        auto end = std::sregex_token_iterator{};
        for (auto it = std::sregex_token_iterator{line.begin(), line.end(), csv_sep, -1}; it != end;
             ++it) {
            if (name.length() == 0) {
                name = *it;
            }
            else {
                auto s = std::stoi(*it);
                score.emplace_back(s);
            }
        }

        return {std::move(name), std::move(score)};
    }

    template <typename TEST_SCORE>
    TEST_SCORE LoadCSV(std::string const& filename)
    {
        static_assert(
            std::is_same_v<TEST_SCORE, TestScore> || std::is_same_v<TEST_SCORE, TestScoreForceFixed>);

        auto data = std::ifstream{filename};

        typename TEST_SCORE::ScoreAll_t test_score_raw;
        auto                            line = std::string{};
        while (std::getline(data, line)) {
            // std::pair<TestScore::ScoreAll_t::iterator, bool>
            auto ret = test_score_raw.insert(parse_line(line));
            assert(ret.second);
        }

        typename TEST_SCORE::ScoreOne_t one_test;
        for (auto const& pair : test_score_raw) {
            one_test.emplace_back(std::make_pair(pair.first, 0));
        }

        auto const score_count = test_score_raw.begin()->second.size();
        auto       ts          = TEST_SCORE{};

        for (auto i = 0U; i < score_count; ++i) {
            for (auto& pair : one_test) {
                pair.second = test_score_raw[pair.first][i];
            }
            ts.AddScore(one_test);
        }

        return ts;
    }

    TEST_F(SolidLSP_A, TestScoreForceFixed_LoadCSV)
    {
        // 下で使用しているLoadCSVはtemplateで実装し直したもの(上記templace <>LoadCSV)。
        // 従来のLoadCSVでは型違いでコンパイルできない。
        // また、従来のLoadCSVは第2引数をTestScore&をしたため、
        // ここで指摘したような問題を引き起こしやすい。この問題を解決するため、
        // templace <>LoadCSVは引数での値戻しをやめ、リターンでの値戻しに改めた。
        ASSERT_THROW(LoadCSV<TestScoreForceFixed>(test_score_org_), std::out_of_range);

        TestScoreForceFixed ts_f_f = LoadCSV<TestScoreForceFixed>(test_score_org_f_);

        auto const exp = TestScore::ScoreAll_t{
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("堂林", {0, 50, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("広輔", {40, 30, 10}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("會澤", {30, 60, 70}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("松山", {80, 90, 50}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("菊池", {50, 20, 80}),
            TestScore::ScoreAll_t::value_type("鈴木", {0, 80, 100}),
        };

        ASSERT_TRUE(std::equal(ts_f_f.begin(), ts_f_f.end(), exp.begin()));
    }
    }  // namespace

解答例-ISP

    //  exercise/solid_a/isp_test_score_average.h 8
    // [A]
    // 下記クラスTestScoreの管理データの内、受験者とその平均スコア、
    // 平均スコアの高い順でソートされた受験者リストを扱うクラスが必要になったため、
    // 下記のようにイミュータブルなクラスTestScoreAverageを作成した。
    //
    // 現在のファイル構成では、TestScoreAverageのみを使うクラスや関数にも、
    // このファイル全体への依存を強いる(つまり、TestScoreやLoadCSV等に依存させる)ため、
    // ISPに反する。
    // TestScoreAverageを使うクラスや関数に余計な依存関係が発生しないようにリファクタリングを
    // 行え。

    // [解説]
    // TestScoreAverageの宣言・定義をsolid_isp_test_score_a.hからこのファイルに移動し、
    // TestScoreAverageのTestScore依存部分をTestScoreAverageDataで隠蔽することで、
    // このファイルからのsolid_isp_test_score_a.hの依存を消した。
    // また、TestScoreAverageのTestScore依存部はすべてsolid_isp_test_score_average_a.cppに移動した。
    // これにより、TestScoreAverageの利用者はTestScoreに依存しなくなった。
    //

    class TestScoreAverage {
    public:
        explicit TestScoreAverage(std::string const& filename);
        ~TestScoreAverage();
        uint32_t                        GetAverage(std::string const& name) const;
        std::vector<std::string> const& DescendingOrder() const;

    private:
        struct TestScoreAverageData;
        std::unique_ptr<TestScoreAverageData> const data_;
    };
    //  exercise/solid_a/isp_test_score.h 8

    class TestScore {
        ...
    };

    std::string           ToString(TestScore const& ts);
    TestScore             LoadCSV(std::string const& filename);
    void                  StoreCSV(TestScore const& test_score, std::string const& filename);
    TestScore::ScoreOne_t Average(TestScore const& test_score);
    //  exercise/solid_a/isp_test_score_average.cpp 10

    namespace {

    TestScore::ScoreOne_t get_average(std::string const& filename)
    {
        TestScore ts = LoadCSV(filename);

        return Average(ts);
    }
    }  // namespace

    struct TestScoreAverage::TestScoreAverageData {
        TestScoreAverageData(TestScore::ScoreOne_t&& average) : average{std::move(average)} {}

        TestScore::ScoreOne_t const average;
        std::vector<std::string>    desending_order{};
    };

    TestScoreAverage::TestScoreAverage(std::string const& filename)
        : data_{std::make_unique<TestScoreAverage::TestScoreAverageData>(get_average(filename))}
    {
    }

    TestScoreAverage::~TestScoreAverage() = default;  // これはヘッダには書けない

    uint32_t TestScoreAverage::GetAverage(std::string const& name) const
    {
        auto pos = std::find_if(data_->average.cbegin(), data_->average.cend(),
                                [&name](std::pair<std::string, int32_t> const& pair) noexcept {
                                    return name == pair.first;
                                });

        if (pos == data_->average.cend()) {
            throw std::out_of_range{"no member"};
        }

        return pos->second;
    }

    std::vector<std::string> const& TestScoreAverage::DescendingOrder() const
    {
        if (data_->desending_order.size() != 0) {
            return data_->desending_order;
        }

        auto ave = data_->average;
        std::sort(ave.begin(), ave.end(),
                  [](std::pair<std::string, int32_t> const& lhs, auto const& rhs) noexcept {
                      return lhs.second > rhs.second;
                  });

        for (auto& pair : ave) {
            data_->desending_order.emplace_back(std::move(pair.first));
        }

        return data_->desending_order;
    }
    //  exercise/solid_a/isp_test_score.cpp 10

    // 演習コードと同一であるため省略
    ...
    //  exercise/solid_a/isp_test_score_average_ut.cpp 13

    namespace {

    TEST_F(SolidISP_A, TestScoreAverage)
    {
        auto tsa = TestScoreAverage{test_score_org_};

        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("堂林"), 65);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("広輔"), 26);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("會澤"), 53);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("松山"), 73);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("菊池"), 50);
        ASSERT_EQ(tsa.GetAverage("鈴木"), 60);

        ASSERT_THROW(tsa.GetAverage("野村"), std::out_of_range);

        auto const exp = std::vector<std::string>{
            "松山", "堂林", "鈴木", "會澤", "菊池", "広輔",
        };

        ASSERT_EQ(tsa.DescendingOrder(), exp);
        ASSERT_EQ(tsa.DescendingOrder(), exp);  // キャッシュのテスト
    }
    }  // namespace
    //  exercise/solid_a/isp_test_score_ut.cpp 13

    // 演習コードと同一であるため省略
    ...

解答例-DIP

    //  exercise/solid_a/dip_test_score.h 9
    // [A]
    // クラスTestScoreClientは、
    //      * dip_test_score_client.h
    //      * dip_test_score_client.cpp
    // で宣言・定義され、
    // クラスTestScoreLoaderは、
    //      * dip_test_score.h(このファイル)
    //      * dip_test_score.cpp
    // で宣言・定義されされている。
    // TestScoreLoaderは宣言・定義の中にTestScoreClientを使用しているため、
    //      * dip_test_score.cpp -> dip_test_score_client.h
    // の依存関係が発生してる(dip_test_score.h -> dip_test_score_client.hの依存関係は、
    // dip_test_score.h内のTestScoreClientの前方宣言で回避)。
    // クラスの名前からもわかる通り、
    //      * TestScoreClientはTestScoreLoaderのクライアント
    //      * TestScoreLoaderはTestScoreClientのサーバ
    // であるため、この依存関係
    //      * TestScoreLoader -> TestScoreClient(逆の依存関係もあるため、双方向依存)
    //      * dip_test_score.cpp -> dip_test_score_client.h
    // はDIPに反し、機能拡張(や、場合よっては単体テスト可能なパッケージ構成維持)
    // に多大な悪影響がある(TestScoreLoaderを使うTestScoreClient2を新たに定義したときに
    // TestScoreLoaderがどのように修正されるかを考えればこの問題に気づくだろう)。
    // この問題に対処せよ。

    // [解説]
    // TestScoreLoaderを「TestScoreClientへの依存」から「TestScoreClientIFへの依存」に変更し、
    // TestScoreClientIFをTestScoreLoaderと同じファイル(このファイル)で宣言・定義したことにより、
    //      * TestScoreLoader -> TestScoreClient
    // の依存関係は解消された。
    // TestScoreClientは、TestScoreClientIFを継承することでTestScoreLoaderのサービスを使用できる。
    // この依存関係は、
    //      * TestScoreClient -> TestScoreClientIF
    // であり、クライアントからサーバへの依存であるため問題にならない。

    class TestScore {
        ...
    };

    ...

    class TestScoreClientIF {
    public:
        TestScoreClientIF()          = default;
        virtual ~TestScoreClientIF() = default;
        virtual void Done()          = 0;
    };

    class TestScoreLoader {
    public:
        TestScoreLoader() {}
        ~TestScoreLoader();
        void      LoadCSV_Async(std::string&& filename, TestScoreClientIF& client);
        TestScore LoadCSV_Get() { return future_.get(); }

    private:
        std::future<TestScore> future_{};
    };
    //  exercise/solid_a/dip_test_score.cpp 10

    ...

    void TestScoreLoader::LoadCSV_Async(std::string&& filename, TestScoreClientIF& client)
    {
        if (future_.valid()) {
            future_.get();
        }

        future_ = std::async(std::launch::async, [&client, filename = std::move(filename)]() {
            auto test_score = LoadCSV(filename);
            client.Done();
            return test_score;
        });
    }
    //  exercise/solid_a/dip_test_score_ut.cpp 13

    // 演習コードと同一であるため省略
    ...
    //  exercise/solid_a/dip_test_score_client.h 11

    class TestScoreClient : public TestScoreClientIF {
    public:
        void             LoadAsync(std::string&& filename);
        virtual void     Done() override;
        void             Wait();
        TestScore const& GetTestScore() const noexcept { return test_score_; }

    private:
        std::condition_variable condition_{};
        std::mutex              mutex_{};
        TestScore               test_score_{};
        TestScoreLoader         loader_{};
        bool                    loaded_{false};
    };
    //  exercise/solid_a/dip_test_score_client.cpp 5

    // 演習コードと同一であるため省略
    ...
    //  exercise/solid_a/dip_test_score_client_ut.cpp 9

    // 演習コードと同一であるため省略
    ...

解答-SOLIDの定義

デザインパターン

解答例-ガード節

    //  exercise/design_pattern_a/guard.cpp 7
    // [A]
    // 以下の関数PrimeNumbersをガード節や、関数の括りだし等によってリファクタリングせよ。

    inline uint32_t next_prime_num(uint32_t curr_prime_num, std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept
    {
        for (auto i = 2 * curr_prime_num; i < is_num_prime.size(); i += curr_prime_num) {
            is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
        }

        auto prime_num = curr_prime_num;

        do {  // 次の素数の探索
            ++prime_num;
        } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

        return prime_num;
    }

    inline std::vector<uint32_t> prime_numbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result       = std::vector<uint32_t>{};
        auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

    std::optional<std::vector<uint32_t>> PrimeNumbers(uint32_t max_number)
    {
        if (max_number >= 65536) {  // ガード節。演算コストが高いためエラーにする
            return std::nullopt;
        }

        if (max_number < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない
            return std::vector<uint32_t>{};
        }

        return prime_numbers(max_number);
    }

    TEST(DesignPatternA, Guard)
    {
        auto result = PrimeNumbers(1);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), *result);

        result = PrimeNumbers(2);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2}), *result);

        result = PrimeNumbers(30);
        ASSERT_TRUE(result);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), *result);

        ASSERT_FALSE(PrimeNumbers(65536));
    }

解答例-BitmaskType

    //  exercise/design_pattern_a/enum_bitmask.cpp 5
    // [A]
    // 下記関数ColorMask2Strはuint32_t型のビットマスクを引数に取る。
    // これはユーザが使用間違いを起こしやすい脆弱なインターフェースである。
    // enumによるビットマスク表現を使用しこの問題に対処せよ。

    enum class Color : uint32_t {
        RED    = 0b0001,
        YELLOW = 0b0010,
        GREEN  = 0b0100,
        BLUE   = 0b1000,
    };

    constexpr Color operator&(Color x, Color y) noexcept
    {
        return static_cast<Color>(static_cast<uint32_t>(x) & static_cast<uint32_t>(y));
    }

    constexpr Color operator|(Color x, Color y) noexcept
    {
        return static_cast<Color>(static_cast<uint32_t>(x) | static_cast<uint32_t>(y));
    }

    Color& operator&=(Color& x, Color y) noexcept { return x = x & y; }
    Color& operator|=(Color& x, Color y) noexcept { return x = x | y; }

    constexpr bool IsTrue(Color x) noexcept { return static_cast<bool>(x); }

    std::string ColorMask2Str(Color color)
    {
        auto ret = std::string{};

        if (IsTrue(Color::RED & color)) {
            ret += "RED";
        }
        if (IsTrue(Color::YELLOW & color)) {
            if (ret.size() != 0) {
                ret += ',';
            }
            ret += "YELLOW";
        }
        if (IsTrue(Color::GREEN & color)) {
            if (ret.size() != 0) {
                ret += ',';
            }
            ret += "GREEN";
        }
        if (IsTrue(Color::BLUE & color)) {
            if (ret.size() != 0) {
                ret += ',';
            }
            ret += "BLUE";
        }

        return ret;
    }

    TEST(DesignPatternA, EnumBitmask)
    {
        ASSERT_EQ("RED", ColorMask2Str(Color::RED));
        ASSERT_EQ("RED,YELLOW", ColorMask2Str(Color::RED | Color::YELLOW));
        ASSERT_EQ("YELLOW", ColorMask2Str(Color::YELLOW));
        ASSERT_EQ("YELLOW,GREEN,BLUE", ColorMask2Str(Color::YELLOW | Color::GREEN | Color::BLUE));

        auto c = Color::GREEN;
        ASSERT_EQ("GREEN", ColorMask2Str(c));

        c |= Color::RED;
        ASSERT_EQ("RED,GREEN", ColorMask2Str(c));

        c &= Color::RED;
        ASSERT_EQ("RED", ColorMask2Str(c));

    #if 0  // 間違った使い方はコンパイルさせない
        ASSERT_EQ("", ColorMask2Str(0b10000)); // 想定していない使用法
    #endif
    }

解答例-Pimpl

    //  exercise/design_pattern_a/pimpl.cpp 5
    // [A] 下記クラスCollectionの宣言はクラスWidgetの宣言に依存している。
    // Pimplパターンを使用し、Collectionの宣言がWidgetの宣言に依存しないようにせよ。

    class Widget;
    class Collection {
    public:
        Collection();
        char const* Name(size_t i) const;
        void        AddName(char const* name);
        size_t      Count() const noexcept;

    private:
        class Pimpl;
        std::unique_ptr<Pimpl> pimpl_{};
    };

    TEST(DesignPatternA, Pimpl)
    {
        auto c = Collection{};

        ASSERT_EQ(0, c.Count());
        ASSERT_THROW(c.Name(0), std::out_of_range);

        c.AddName("n0");
        c.AddName("n1");
        c.AddName("n2");

        ASSERT_EQ(3, c.Count());
        ASSERT_STREQ("n0", c.Name(0));
        ASSERT_STREQ("n1", c.Name(1));
        ASSERT_STREQ("n2", c.Name(2));
        ASSERT_THROW(c.Name(4), std::out_of_range);
    }

    class Widget {
    public:
        explicit Widget(char const* name) : name_{name} {}
        char const* Name() const noexcept { return name_; }

    private:
        char const* name_;
    };

    class Collection::Pimpl {
    public:
        char const* Name(size_t i) const { return widgets_.at(i).Name(); }
        void        AddName(char const* name) { widgets_.emplace_back(name); }

        size_t Count() const noexcept { return widgets_.size(); }

    private:
        std::vector<Widget> widgets_{};
    };

    Collection::Collection() : pimpl_{std::make_unique<Collection::Pimpl>()} {}
    char const* Collection::Name(size_t i) const { return pimpl_->Name(i); }
    void        Collection::AddName(char const* name) { pimpl_->AddName(name); }
    size_t      Collection::Count() const noexcept { return pimpl_->Count(); }

解答-Accessorの副作用

解答例-Accessor

    //  exercise/design_pattern_a/accessor.cpp 5
    // [A]
    // 下記クラスPrimeNumbersはAccessorの多用により、クラスのカプセル化が破壊されている例である。
    // これにより、このクラスは凝集性が低く、誤用を誘発しやすい。
    // この問題を解決するため、クラスPrimeNumbersや関数GetPrimeNumbersを修正せよ。
    // また、別の問題があれば合わせて修正せよ。

    // [解説]
    // * Accessorについて
    //      * HasCache、Cashedを廃止。
    //        値(この場合は素数列prime_numbers_)をキャッシュしているかどうかの判断は、
    //        クラスに考えさせるべき。
    //      * SetMaxNumberの変更。
    //        SetMaxNumberで素数列を作っても良いが、一般に重い計算はなるべく遅延実行させた方が良い。
    // * その他の変更について
    //      * GetPrimeNumbersのGeneratePrimeNumbersへの名前変更。
    //        GetXXXはconstメンバ関数にすべきなので。
    //      * コンストラクタやcopy代入演算子等の自動生成関数は、何らかの定義・宣言をした方が良い。
    //      * メンバ変数は必ず初期化する。

    class PrimeNumbers {
    public:
        PrimeNumbers() = default;

        PrimeNumbers(PrimeNumbers const&)            = default;
        PrimeNumbers& operator=(PrimeNumbers const&) = default;

        uint32_t GetMaxNumber() const noexcept { return max_number_; }
        void     SetMaxNumber(uint32_t max_number) noexcept
        {
            if (max_number != max_number_) {
                cached_     = false;
                max_number_ = max_number;
            }
        }

        std::vector<uint32_t> const& GeneratePrimeNumbers();

    private:
        uint32_t              max_number_{0};
        bool                  cached_{false};
        std::vector<uint32_t> prime_numbers_{};

        static uint32_t              next_prime_num(uint32_t           curr_prime_num,
                                                    std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept;
        static std::vector<uint32_t> get_prime_numbers(uint32_t max_number);
    };

    uint32_t PrimeNumbers::next_prime_num(uint32_t           curr_prime_num,
                                          std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept
    {
        for (auto i = 2 * curr_prime_num; i < is_num_prime.size(); i += curr_prime_num) {
            is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
        }

        auto prime_num = curr_prime_num;

        do {  // 次の素数の探索
            ++prime_num;
        } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

        return prime_num;
    }

    inline std::vector<uint32_t> PrimeNumbers::get_prime_numbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result       = std::vector<uint32_t>{};
        auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない。
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

    std::vector<uint32_t> const& PrimeNumbers::GeneratePrimeNumbers()
    {
        if (cached_) {
            return prime_numbers_;
        }

        if (max_number_ < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない。
            prime_numbers_.clear();
        }
        else {
            prime_numbers_ = get_prime_numbers(max_number_);
        }

        cached_ = true;

        return prime_numbers_;
    }

    TEST(DesignPatternA, Accessor)
    {
        auto pm = PrimeNumbers{};

        pm.SetMaxNumber(1);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), pm.GeneratePrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(3);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm.GeneratePrimeNumbers());

        pm.SetMaxNumber(30);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}),
                  pm.GeneratePrimeNumbers());

    #if 0  // このテストパターンは廃止した
        pm.SetMaxNumber(3);
        GeneratePrimeNumbers(pm);  // pm.Cashed(false);しないので前のまま。
                                   // このような用途は考えづらいので、おそらく仕様のバグ。

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), pm.GeneratePrimeNumbers());
    #else
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}),
                  pm.GeneratePrimeNumbers());
    #endif

        pm.SetMaxNumber(3);
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm.GeneratePrimeNumbers());

        auto pm3_copy = PrimeNumbers{pm};
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm3_copy.GeneratePrimeNumbers());

        auto pm5 = PrimeNumbers{};
        pm5.SetMaxNumber(5);
        pm = pm5;
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5}), pm.GeneratePrimeNumbers());
    }

解答例-Copy-And-Swap

    //  exercise/design_pattern_a/copy_and_swap.cpp 5
    // [A]
    // 以下のクラスCopyAndSwapの
    //  * copyコンストラクタ
    //  * copy代入演算子
    //  * moveコンストラクタ
    //  * move代入演算子
    // をCopy-And-Swapイデオムを使用して実装し、単体テストを行え。

    class CopyAndSwap final {
    public:
        explicit CopyAndSwap(char const* name0, char const* name1)
            : name0_{name0 == nullptr ? "" : name0}, name1_{name1 == nullptr ? "" : name1}
        {
        }

        CopyAndSwap(CopyAndSwap const& rhs) : name0_{rhs.name0_}, name1_{rhs.name1_} {}

        CopyAndSwap(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
            : name0_{std::exchange(rhs.name0_, nullptr)}, name1_{std::move(rhs.name1_)}
        {
        }

        CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap const& rhs)
        {
            if (this == &rhs) {
                return *this;
            }

            // copyコンストラクタの使用
            auto tmp = CopyAndSwap{rhs};  // ここでエクセプションが発生しても、tmp以外、壊れない

            Swap(tmp);

            return *this;
        }

        CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
        {
            if (this == &rhs) {
                return *this;
            }

            auto tmp = CopyAndSwap{std::move(rhs)};  // moveコンストラクタ

            Swap(tmp);

            return *this;
        }

        void Swap(CopyAndSwap& rhs) noexcept
        {
            std::swap(name0_, rhs.name0_);
            std::swap(name1_, rhs.name1_);
        }

        char const* GetName0() const noexcept { return name0_; }

        std::string const& GetName1() const noexcept { return name1_; }

        ~CopyAndSwap() = default;

    private:
        char const* name0_;
        std::string name1_;
    };

    #if defined(__clang__)  // clangコンパイルでの警告抑止
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_BEGIN _Pragma("clang diagnostic push")
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_SELF_ASSIGN_OVERLOADED \
        _Pragma("clang diagnostic ignored \"-Wself-assign-overloaded\"")
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_SELF_MOVE _Pragma("clang diagnostic ignored \"-Wself-move\"")
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_END _Pragma("clang diagnostic pop")
    #else
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_BEGIN
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_SELF_ASSIGN_OVERLOADED
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_SELF_MOVE
    #define SUPPRESS_WARN_CLANG_END
    #endif

    // 本来は下記単体テストは分割すべきだが、紙面の都合上一つにまとめる。
    TEST(DesignPatternA, CopyAndSwap)
    {
        // test for explicit CopyAndSwap(char const* name0, char const* name1)
        auto n = CopyAndSwap{nullptr, nullptr};
        ASSERT_STREQ("", n.GetName0());
        ASSERT_EQ("", n.GetName1());

        auto a = CopyAndSwap{"a0", "a1"};
        ASSERT_STREQ("a0", a.GetName0());
        ASSERT_EQ("a1", a.GetName1());

        // test for void Swap(CopyAndSwap& rhs) noexcept
        auto b = CopyAndSwap{"b0", "b1"};

        a.Swap(b);
        ASSERT_STREQ("b0", a.GetName0());
        ASSERT_EQ("b1", a.GetName1());
        ASSERT_STREQ("a0", b.GetName0());
        ASSERT_EQ("a1", b.GetName1());

        a.Swap(a);
        ASSERT_STREQ("b0", a.GetName0());
        ASSERT_EQ("b1", a.GetName1());

        // test for CopyAndSwap(CopyAndSwap const& rhs)
        auto const const_a = CopyAndSwap{"const_a0", "const_a1"};

        auto b_copy = CopyAndSwap{const_a};

        ASSERT_STREQ("const_a0", b_copy.GetName0());
        ASSERT_EQ("const_a1", b_copy.GetName1());

        // test for CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap const& rhs)
        auto const c = CopyAndSwap{"c0", "c1"};

        b_copy = c;
        ASSERT_STREQ("c0", b_copy.GetName0());
        ASSERT_EQ("c1", b_copy.GetName1());

        SUPPRESS_WARN_CLANG_BEGIN;
        SUPPRESS_WARN_CLANG_SELF_ASSIGN_OVERLOADED;

        b_copy = b_copy;

        SUPPRESS_WARN_CLANG_END;

        ASSERT_STREQ("c0", b_copy.GetName0());
        ASSERT_EQ("c1", b_copy.GetName1());

        // test for CopyAndSwap(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
        auto b_move = CopyAndSwap{std::move(b)};

        ASSERT_STREQ("a0", b_move.GetName0());
        ASSERT_EQ("a1", b_move.GetName1());

    #if !defined(__clang_analyzer__)  // move後のオブジェクトにリードアクセスするとscan-buildでエラー
        ASSERT_EQ(nullptr, b.GetName0());
        ASSERT_EQ("", b.GetName1());
    #endif

        auto c_move = CopyAndSwap{std::move(const_a)};  // moveに見えるが実はコピー

        ASSERT_STREQ("const_a0", const_a.GetName0());
        ASSERT_EQ("const_a1", const_a.GetName1());

        ASSERT_STREQ("const_a0", c_move.GetName0());
        ASSERT_EQ("const_a1", c_move.GetName1());

        // test for CopyAndSwap& operator=(CopyAndSwap&& rhs) noexcept
        c_move = std::move(b_move);
        ASSERT_STREQ("a0", c_move.GetName0());
        ASSERT_EQ("a1", c_move.GetName1());

    #if !defined(__clang_analyzer__)  // move後のオブジェクトにリードアクセスするとscan-buildでエラー
        ASSERT_EQ(nullptr, b_move.GetName0());
        ASSERT_EQ("", b_move.GetName1());
    #endif

        SUPPRESS_WARN_CLANG_BEGIN;
        SUPPRESS_WARN_CLANG_SELF_MOVE;

        c_move = std::move(c_move);

        SUPPRESS_WARN_CLANG_END;

        ASSERT_STREQ("a0", c_move.GetName0());
        ASSERT_EQ("a1", c_move.GetName1());
    }

解答例-Immutable

    //  exercise/design_pattern_a/immutable.cpp 5
    // [A]
    // 下記クラスPrimeNumbersはSetMaxNumberにより状態が変わってしまうことがある。
    // 状態変更が必要ない場合、こういった仕様はない方が良い。
    // PrimeNumbersからSetMaxNumberを削除し、このクラスをimmutableにせよ。

    // [解説]
    // * Immutableなクラスとは、生成後状態が変えられないクラスである。
    // * PrimeNumbersをImmutableにするには
    //      * SetMaxNumberを廃止し、メンバ変数をconstにする。
    //      * GeneratePrimeNumbersをconstメンバ関数にして、GetPrimeNumbersに変更する。
    //      * copy代入演算子を =deleteする(これがなくてもconstメンバならばコピーはできないが)

    class PrimeNumbers {
    public:
        explicit PrimeNumbers(uint32_t max_number = 2);

        PrimeNumbers(PrimeNumbers const&)            = default;
        PrimeNumbers& operator=(PrimeNumbers const&) = delete;  // constメンバはコピーできない。

        uint32_t                     GetMaxNumber() const noexcept { return max_number_; }
        std::vector<uint32_t> const& GetPrimeNumbers() const noexcept { return prime_numbers_; }

    private:
        uint32_t const              max_number_;
        std::vector<uint32_t> const prime_numbers_{};

        static uint32_t              next_prime_num(uint32_t           curr_prime_num,
                                                    std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept;
        static std::vector<uint32_t> get_prime_numbers(uint32_t max_number);
    };

    uint32_t PrimeNumbers::next_prime_num(uint32_t           curr_prime_num,
                                          std::vector<bool>& is_num_prime) noexcept
    {
        for (auto i = 2 * curr_prime_num; i < is_num_prime.size(); i += curr_prime_num) {
            is_num_prime[i] = false;  // 次の倍数は素数ではない
        }

        auto prime_num = curr_prime_num;

        do {  // 次の素数の探索
            ++prime_num;
        } while (!is_num_prime[prime_num] && (prime_num < is_num_prime.size()));

        return prime_num;
    }

    std::vector<uint32_t> PrimeNumbers::get_prime_numbers(uint32_t max_number)
    {
        auto result = std::vector<uint32_t>{};

        if (max_number < 2) {  // ガード節。2未満の素数はない。
            return result;
        }

        auto prime_num    = 2U;                                       // 最初の素数
        auto is_num_prime = std::vector<bool>(max_number + 1, true);  // falseなら素数でない。
        is_num_prime[0] = is_num_prime[1] = false;

        do {
            result.emplace_back(prime_num);
            prime_num = next_prime_num(prime_num, is_num_prime);
        } while (prime_num < is_num_prime.size());

        return result;
    }

    PrimeNumbers::PrimeNumbers(uint32_t max_number)
        : max_number_{max_number}, prime_numbers_{get_prime_numbers(max_number)}
    {
    }

    TEST(DesignPatternA, Immutable)
    {
        auto pm1 = PrimeNumbers{1};
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{}), pm1.GetPrimeNumbers());

        auto pm3 = PrimeNumbers{3};
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm3.GetPrimeNumbers());

        auto pm30 = PrimeNumbers{30};
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), pm30.GetPrimeNumbers());

        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29}), pm30.GetPrimeNumbers());

        auto pm3_copy = PrimeNumbers{pm3};
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3}), pm3_copy.GetPrimeNumbers());

    #if 0  // immutableなのでコピーはできない。
        auto pm  = PrimeNumbers{1};
        auto pm5 = PrimeNumbers{5};
        pm       = pm5;
        ASSERT_EQ((std::vector<uint32_t>{2, 3, 5}), pm.GetPrimeNumbers());
    #endif
    }

解答例-Clone

    //  exercise/design_pattern_a/clone.cpp 7
    // [A]
    // TEST(DesignPatternQ, Clone)に記述したように、オブジェクトのスライシングによる影響で、
    // Base型ポインタに代入されたDerivedインスタンスへのコピーは部分的にしか行われない。
    // Cloneパターンを使用してこの問題を修正せよ。
    // また、その他の問題があれば合わせて修正せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(std::string name) : name1_{std::move(name)} {}
        virtual ~Base() = default;
        virtual std::string const& GetName() const noexcept { return name1_; }

        virtual std::unique_ptr<Base> Clone() const { return std::make_unique<Base>(name1_); }

        Base(Base const&)            = delete;
        Base& operator=(Base const&) = delete;

    private:
        std::string name1_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        explicit Derived(std::string name1 = "", std::string name2 = "")
            : Base{std::move(name1)}, name2_{std::move(name2)}
        {
        }
        virtual ~Derived() override = default;
        virtual std::string const& GetName() const noexcept override { return name2_; }

        virtual std::unique_ptr<Base> Clone() const override { return CloneOwn(); }

        std::unique_ptr<Derived> CloneOwn() const
        {
            return std::make_unique<Derived>(Base::GetName(), name2_);
        }

    private:
        std::string name2_;
    };

    TEST(DesignPatternA, Clone)
    {
        Derived d1{"name1", "name2"};

        ASSERT_EQ("name1", d1.Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", d1.GetName());

        std::unique_ptr<Derived> d2 = d1.CloneOwn();
        ASSERT_EQ("name1", d2->Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", d2->GetName());

        std::unique_ptr<Base> b3 = d1.Clone();  // コピーの代わりにクローン

        ASSERT_EQ("name1", b3->Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", b3->GetName());  // ちゃんとコピーされた。
    }

解答例-NVI

    //  exercise/design_pattern_a/nvi.cpp 7
    // [A]
    // 下記クラスBase、Derived、DerivedDerivedの前処理はクローンコードになっている。
    // NVIを用いて、この問題に対処せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(std::string name) : name1_{name} {}
        virtual ~Base() = default;
        std::string const& GetName1() const noexcept { return name1_; }

        bool IsEqual(Base const& rhs) const noexcept
        {
            if (this == &rhs) {
                return true;
            }

            if (typeid(*this) != typeid(rhs)) {
                return false;
            }

            return is_equal(rhs);
        }

    protected:
        virtual bool is_equal(Base const& rhs) const noexcept { return name1_ == rhs.name1_; }

    private:
        std::string name1_;
    };

    class Derived : public Base {
    public:
        explicit Derived(std::string name1 = "", std::string name2 = "") : Base{name1}, name2_{name2} {}
        virtual ~Derived() override = default;
        std::string const& GetName2() const noexcept { return name2_; }

    protected:
        virtual bool is_equal(Base const& rhs) const noexcept override
        {
            if (!Base::is_equal(rhs)) {
                return false;
            }

            auto rhs_d = dynamic_cast<Derived const*>(&rhs);

            return (rhs_d != nullptr) && (name2_ == rhs_d->name2_);
        }

    private:
        std::string name2_;
    };

    class DerivedDerived : public Derived {
    public:
        explicit DerivedDerived(std::string name1 = "", std::string name2 = "", std::string name3 = "")
            : Derived{name1, name2}, name3_{name3}
        {
        }
        virtual ~DerivedDerived() override = default;
        std::string const& GetName3() const noexcept { return name3_; }

    protected:
        virtual bool is_equal(Base const& rhs) const noexcept override
        {
            if (!Derived::is_equal(rhs)) {
                return false;
            }

            auto rhs_d = dynamic_cast<DerivedDerived const*>(&rhs);

            return (rhs_d != nullptr) && (name3_ == rhs_d->name3_);
        }

    private:
        std::string name3_;
    };

    TEST(DesignPatternA, NVI)
    {
        auto b1 = Base{"b1"};

        ASSERT_TRUE(b1.IsEqual(Base{b1}));
        ASSERT_TRUE(b1.IsEqual(Base{"b1"}));
        ASSERT_FALSE(b1.IsEqual(Base{"b2"}));
        ASSERT_FALSE(b1.IsEqual(Derived{"b1", "d1"}));

        auto d1 = Derived{"b1", "d1"};

        ASSERT_FALSE(d1.IsEqual(Base{"b1"}));
        ASSERT_TRUE(d1.IsEqual(d1));
        ASSERT_TRUE(d1.IsEqual(Derived{"b1", "d1"}));
        ASSERT_FALSE(d1.IsEqual(Derived{"b1", "d2"}));
        ASSERT_FALSE(d1.IsEqual(DerivedDerived{"b1", "d1", "dd2"}));

        auto dd1 = DerivedDerived{"b1", "d1", "dd1"};

        ASSERT_FALSE(dd1.IsEqual(Base{"b1"}));
        ASSERT_FALSE(dd1.IsEqual(Derived{"b1", "d1"}));
        ASSERT_TRUE(dd1.IsEqual(dd1));
        ASSERT_TRUE(dd1.IsEqual(DerivedDerived{"b1", "d1", "dd1"}));
        ASSERT_FALSE(dd1.IsEqual(DerivedDerived{"b1", "d1", "dd2"}));
    }

解答-RAIIの効果

解答例-RAII

    //  exercise/design_pattern_a/raii.cpp 5
    // [A]
    // 下記クラスBase、Derivedはクローンパターンをしているが、Clone関数はnewしたオブジェクトであるため、
    // メモリーリークを起こしやすい。std::unique_ptrを使用してこの問題に対処せよ。

    class Base {
    public:
        explicit Base(std::string name) : name1_{std::move(name)} {}
        virtual ~Base() = default;
        virtual std::string const& GetName() const noexcept { return name1_; }

        virtual std::unique_ptr<Base> Clone() const { return std::make_unique<Base>(name1_); }

        Base(Base const&)            = delete;
        Base& operator=(Base const&) = delete;

    private:
        std::string name1_;
    };

    class Derived final : public Base {
    public:
        explicit Derived(std::string name1 = "", std::string name2 = "")
            : Base{std::move(name1)}, name2_{std::move(name2)}
        {
        }
        virtual ~Derived() override = default;
        virtual std::string const& GetName() const noexcept override { return name2_; }

        virtual std::unique_ptr<Base> Clone() const override { return CloneOwn(); }

        std::unique_ptr<Derived> CloneOwn() const
        {
            return std::make_unique<Derived>(Base::GetName(), name2_);
        }

    private:
        std::string name2_;
    };

    TEST(DesignPatternA, RAII)
    {
        Derived                  d1{"name1", "name2"};
        std::unique_ptr<Derived> d2{d1.CloneOwn()};

        ASSERT_EQ("name1", d2->Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", d2->GetName());

        std::unique_ptr<Base> b3 = d1.Clone();

        ASSERT_EQ("name1", b3->Base::GetName());
        ASSERT_EQ("name2", b3->GetName());
    }

解答例-Future

    //  exercise/design_pattern_a/future.cpp 25
    // [A]
    // 下記のfind_files_concurrentlyはスレッドの出力の結果をキャプチャリファレンスで受け取るため、
    // 入出力の関係が明確でない。Futureパターンを使用しそれを明確にするリファクタリングを行え。

    std::vector<std::string> find_files_concurrently()
    {
        std::future<std::vector<std::string>> result0
            = std::async(std::launch::async, [] { return find_files("../programming_convention_a/"); });

        std::future<std::vector<std::string>> result1
            = std::async(std::launch::async, [] { return find_files("../programming_convention_q/"); });

        auto pca = result0.get();
        auto pcq = result1.get();

        pca.insert(pca.end(), pcq.begin(), pcq.end());

        return pca;
    }

    TEST(DesignPatternA, Future)
    {
        auto files = find_files_concurrently();

        ASSERT_GT(files.size(), 10);
    }

解答例-DI

    //  exercise/design_pattern_a/di.cpp 10
    // [A]
    // CppFilesはLsCppを直に生成するため、LsCpp::FileList()がエラーした場合の単体テスト実施が
    // 困難である。CppFilesにDIパターンを適用するとともに、LsCppを適切に変更することによって、
    // LsCpp::FileList()がエラーした場合のCppFilesの単体テストを行え。

    class LsCpp {
    public:
        virtual ~LsCpp() {}

        std::string const& FileList() { return file_list(); }

    private:
        std::string files_{};

        virtual std::string const& file_list()  // 単体テストのためにvirtual
        {
            if (files_.size() != 0) {  // キャッシュを使う
                return files_;
            }

            auto stream
                = std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)>{popen("ls ../ut_data/*.cpp", "r"), fclose};

            if (stream.get() == NULL) {
                throw std::exception{};
            }

            char buff[256];
            while (fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream.get()) != NULL) {
                files_ += buff;
            }

            return files_;
        }
    };

    class CppFiles {
    public:
        explicit CppFiles(std::unique_ptr<LsCpp>&& ls_cpp = std::make_unique<LsCpp>())
            : ls_cpp_{std::move(ls_cpp)}
        {
        }

        std::vector<std::string> FileList() const
        {
            auto files = std::string{};

            try {
                files = ls_cpp_->FileList();
            }
            catch (...) {
                ;  // 例外発生時には空のベクタを返すので何もしない。
            }

            return split_cr(files);
        }

    private:
        std::unique_ptr<LsCpp> ls_cpp_;

        static std::vector<std::string> split_cr(std::string const& str)
        {
            auto ss  = std::stringstream{str};
            auto ret = std::vector<std::string>{};

            for (std::string line; std::getline(ss, line);) {
                ret.emplace_back(line);
            }

            return ret;
        }
    };

    class LsCppError : public LsCpp {
    public:
        LsCppError() noexcept {}
        virtual ~LsCppError() override {}

    private:
        [[noreturn]] virtual std::string const& file_list() override { throw std::exception{}; }
    };

    TEST(DesignPatternA, DI)
    {
        auto        files = CppFiles{};
        auto const& act   = files.FileList();
        auto        exp   = std::vector<std::string>{"../ut_data/a.cpp", "../ut_data/abc.cpp",
                                                     "../ut_data/efghij.cpp"};

        ASSERT_EQ(exp, act);

        // エラー系のテスト
        auto files2 = CppFiles{std::make_unique<LsCppError>()};

        ASSERT_EQ(0, files2.FileList().size());
    }

解答例-Singleton

    //  exercise/design_pattern_a/singleton.cpp 5
    // [A]
    // 下記AppConfigはアプリケーション全体の設定を管理するためのクラスである。
    // 目的上、そのインスタンスAppConfigは広域のアクセスが必要であり、
    // グローバルインスタンスとして実装している。
    // グローバルインスタンスは、初期化の順番が標準化されておらず、
    // 多くの処理系ではリンクの順番に依存しているため、
    // アプリケーション立ち上げ時に様々な問題を起こすことがある。
    // こういった問題を回避するため、AppConfigをSingleton化せよ。
    // また他の問題があれば合わせて修正せよ。

    // [解説]
    // * AppConfigをSingletonにした。
    //      * インスタンスを返すInst()と同じインスタンスをconst修飾したものを返すInstConst()を追加。
    //      * コンストラクタをprivateにした。
    //      * copyコンストラクタを= deleteした(こうすればmoveコンストラクタも= deleteされる)。
    // * リファクタリング
    //      * BaseColorをスコープドenumにした。
    //      * GetXxxをconst関数にした。
    //      * GetUserNameの戻りをconstリファレンスにした。
    //      * コピー演算子を使用しSetDefaultをシンプルにした。

    class AppConfig {
    public:
        static AppConfig& Inst()
        {
            static auto inst = AppConfig{};

            return inst;
        }

        static AppConfig const& InstConst() { return Inst(); }

        enum class BaseColor { Red, Green, Black };

        void      SetBaseColor(BaseColor color) noexcept { color_ = color; }
        BaseColor GetBaseColor() const noexcept { return color_; }

        void               SetUserName(std::string_view username) { username_ = username; }
        std::string const& GetUserName() const noexcept { return username_; }

        void Logging(bool is_logging) noexcept { is_logging_ = is_logging; }
        bool IsLoggin() const noexcept { return is_logging_; }

        // 他の設定値は省略

        void SetDefault() { *this = AppConfig{}; }

        // これがないとcopyコンストラクタやmoveコンストラクタで別のインスタンスが作れる。
        //    AppConfig app{AppConfig::Inst()};
        //    AppConfig app{std::move(AppConfig::Inst())};
        AppConfig(AppConfig const&) = delete;

    private:
        BaseColor   color_{BaseColor::Red};
        std::string username_{"No Name"};
        bool        is_logging_{false};

        AppConfig()                            = default;
        AppConfig& operator=(AppConfig const&) = default;
    };

    class DesignPatternA_F : public ::testing::Test {
    protected:
        virtual void SetUp() override { AppConfig::Inst().SetDefault(); }

        virtual void TearDown() override { AppConfig::Inst().SetDefault(); }
    };

    TEST_F(DesignPatternA_F, Singleton)
    {
        ASSERT_EQ(AppConfig::BaseColor::Red, AppConfig::InstConst().GetBaseColor());
        ASSERT_EQ("No Name", AppConfig::InstConst().GetUserName());
        ASSERT_FALSE(AppConfig::InstConst().IsLoggin());

        AppConfig::Inst().SetBaseColor(AppConfig::BaseColor::Green);
        ASSERT_EQ(AppConfig::BaseColor::Green, AppConfig::InstConst().GetBaseColor());

        AppConfig::Inst().SetUserName("Stroustrup");
        ASSERT_EQ("Stroustrup", AppConfig::InstConst().GetUserName());

        AppConfig::Inst().Logging(true);
        ASSERT_TRUE(AppConfig::InstConst().IsLoggin());

        AppConfig::Inst().SetDefault();
        ASSERT_EQ(AppConfig::BaseColor::Red, AppConfig::InstConst().GetBaseColor());
        ASSERT_EQ("No Name", AppConfig::InstConst().GetUserName());
        ASSERT_FALSE(AppConfig::InstConst().IsLoggin());
    }

解答例-State

    //  exercise/design_pattern_a/state.cpp 5
    // [A]
    // 下記クラスGreetingにはlang_に対する同型のswitch文が3個ある。
    // これは機能追加時にバグが混入しやすいアンチパターンであるため、
    // Stateパターンを用いリファクタリングせよ。
    // また、他の問題があれば合わせて修正せよ。

    enum class Language { English, Japanese, French };

    class GreetingState {
    public:
        virtual ~GreetingState() = default;
        std::string GoodMorning() { return good_morning(); }
        std::string Hello() { return hello(); }
        std::string GoodEvening() { return good_evening(); }

    private:
        virtual std::string good_morning() const = 0;
        virtual std::string hello() const        = 0;
        virtual std::string good_evening() const = 0;
    };

    class GreetingState_English : public GreetingState {
        virtual std::string good_morning() const override { return "good morning"; }
        virtual std::string hello() const override { return "hello"; }
        virtual std::string good_evening() const override { return "good evening"; }
    };

    class GreetingState_Japanese : public GreetingState {
        virtual std::string good_morning() const override { return "おはよう"; }
        virtual std::string hello() const override { return "こんにちは"; }
        virtual std::string good_evening() const override { return "こんばんは"; }
    };

    class GreetingState_French : public GreetingState {
        virtual std::string good_morning() const override { return "Bonjour"; }
        virtual std::string hello() const override { return "Bonjour"; }
        virtual std::string good_evening() const override { return "bonne soirée"; }
    };

    class Greeting {
    public:
        explicit Greeting(Language lang = Language::English) : state_{new_state(lang)} {}
        void SetLanguage(Language lang) { state_ = new_state(lang); }

        std::string GoodMorning() const { return state_->GoodMorning(); }
        std::string Hello() const { return state_->Hello(); }
        std::string GoodEvening() const { return state_->GoodEvening(); }

    private:
        std::unique_ptr<GreetingState> state_;

        static std::unique_ptr<GreetingState> new_state(Language lang)
        {
            switch (lang) {
            case Language::Japanese:
                return std::make_unique<GreetingState_Japanese>();
            case Language::French:
                return std::make_unique<GreetingState_French>();
            case Language::English:
            default:
                return std::make_unique<GreetingState_English>();
            }
        }
    };

    TEST(DesignPatternA, State)
    {
        auto greeting = Greeting{};

        ASSERT_EQ("good morning", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("hello", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("good evening", greeting.GoodEvening());

        greeting.SetLanguage(Language::Japanese);
        ASSERT_EQ("おはよう", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("こんにちは", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("こんばんは", greeting.GoodEvening());

        greeting.SetLanguage(Language::French);
        ASSERT_EQ("Bonjour", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("Bonjour", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("bonne soirée", greeting.GoodEvening());

        greeting.SetLanguage(Language::English);
        ASSERT_EQ("good morning", greeting.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("hello", greeting.Hello());
        ASSERT_EQ("good evening", greeting.GoodEvening());
    }

解答例-Null Object

    //  exercise/design_pattern_a/null_object.cpp 38
    // [A]
    // 下記クラスPersonにはgreeting_のヌルチェックを行う三項演算子が3つある。
    // これはヌルポインタアクセスを起こしやすいアンチパターンであるため、
    // Null Objectパターンを用いリファクタリングせよ。
    // また、他の問題があれば合わせて修正せよ。

    // [解説]
    // * 通常Null Objectパターンは
    //      if(object_ptr != nullptr) { ... }
    //   のようなコードが頻繁に存在する場合にそのコードの繰り返しを無くすためのものであるが、
    //   本例では対象が生のポインタでなくスマートポインタに適用した。
    // * 本例では、GoodMorning等が単純であるためGreetingにNVIを適用していないが、NVIを適用しても良い。
    // * 本例では、ヌルかどうかの同型条件分岐が3個しかないコードにNull Objectパターンを適用した。
    //   例題のためそうしたが、この程度の単純なコードにこのパターンを適用するのはやりすぎである。
    //   この程度のコードクローンであれば一つのヘルパー関数にまとめた方が実践的である。

    class Greeting {
    public:
        explicit Greeting(Language lang = Language::English) : state_{new_state(lang)} {}
        virtual ~Greeting() = default;
        void SetLanguage(Language lang) { state_ = new_state(lang); }

        virtual std::string GoodMorning() const { return state_->GoodMorning(); }
        virtual std::string Hello() const { return state_->Hello(); }
        virtual std::string GoodEvening() const { return state_->GoodEvening(); }

    private:
        std::unique_ptr<GreetingState> state_;

        static std::unique_ptr<GreetingState> new_state(Language lang)
        {
            switch (lang) {
            case Language::Japanese:
                return std::make_unique<GreetingState_Japanese>();
            case Language::French:
                return std::make_unique<GreetingState_French>();
            case Language::English:
            default:
                return std::make_unique<GreetingState_English>();
            }
        }
    };

    class GreetingSilent : public Greeting {
    public:
        explicit GreetingSilent()          = default;
        virtual ~GreetingSilent() override = default;

        virtual std::string GoodMorning() const override { return ""; }
        virtual std::string Hello() const override { return ""; }
        virtual std::string GoodEvening() const override { return ""; }
    };

    class Person {
    public:
        explicit Person(Language lang, bool silent = false)
            : greeting_{silent ? std::make_unique<GreetingSilent>() : std::make_unique<Greeting>(lang)}
        {
        }

        std::string GoodMorning() const { return greeting_->GoodMorning(); }
        std::string Hello() const { return greeting_->Hello(); }
        std::string GoodEvening() const { return greeting_->GoodEvening(); }

    private:
        std::unique_ptr<Greeting> greeting_;
    };

    TEST(DesignPatternA, NullObject)
    {
        auto e = Person{Language::English};

        ASSERT_EQ("good morning", e.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("hello", e.Hello());
        ASSERT_EQ("good evening", e.GoodEvening());

        auto j = Person{Language::Japanese};
        ASSERT_EQ("おはよう", j.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("こんにちは", j.Hello());
        ASSERT_EQ("こんばんは", j.GoodEvening());

        auto f = Person{Language::French};
        ASSERT_EQ("Bonjour", f.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("Bonjour", f.Hello());
        ASSERT_EQ("bonne soirée", f.GoodEvening());

        auto e_s = Person{Language::English, true};

        ASSERT_EQ("", e_s.GoodMorning());
        ASSERT_EQ("", e_s.Hello());
        ASSERT_EQ("", e_s.GoodEvening());
    }

解答例-Templateメソッド

    //  exercise/design_pattern_a/template_method.cpp 5
    // [A]
    // 下記クラスXxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvは同様の処理を行い、
    // それぞれのフォーマットで文字列を出力する。このような処理のクローンはTemplate Method
    // パターンにより排除できる。
    // このパターンを用い、下記2クラスをリファクタリングせよ。
    // また、他の問題があれば合わせて修正せよ。

    // [解説]
    // * Template Methodのインターフェースクラスとして、XxxDataFormatterIFを定義した。
    //      * header()、footer()はstd::stringのリファレンスを返すが、
    //        body()は返すstd::stringが引数に依存して変わるため、実態を返す。
    // * その他の修正
    //      * header_やfooter_はそれぞれのクラスで同じオブジェクトであるため、
    //        static constインスタンスとして、それぞれheader()、footer()の内部で定義した。
    //      * XxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvはそれ以上派生する必要がないためfinalとした。

    struct XxxData {
        int a;
        int b;
        int c;
    };

    class XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterIF() noexcept                            = default;
        virtual ~XxxDataFormatterIF()                            = default;
        XxxDataFormatterIF(XxxDataFormatterIF const&)            = delete;
        XxxDataFormatterIF& operator=(XxxDataFormatterIF const&) = delete;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            return header() + body(xxx_data) + footer();
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = std::string{header()};

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += body(xxx_data);
            }

            return ret + footer();
        }

    private:
        virtual std::string const& header() const                      = 0;
        virtual std::string const& footer() const                      = 0;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const = 0;
    };

    class XxxDataFormatterXml final : public XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterXml()                   = default;
        virtual ~XxxDataFormatterXml() override = default;

    private:
        virtual std::string const& header() const override
        {
            static auto const header
                = std::string{"<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n<XxxDataFormatterXml>\n"};

            return header;
        }

        virtual std::string const& footer() const override
        {
            static auto const footer = std::string{"</XxxDataFormatterXml>\n"};

            return footer;
        }

        virtual std::string body(XxxData const& xxx_data) const override
        {
            auto content = std::string{"<Item>\n"};

            content += "    <XxxData a=\"" + std::to_string(xxx_data.a) + "\">\n";
            content += "    <XxxData b=\"" + std::to_string(xxx_data.b) + "\">\n";
            content += "    <XxxData c=\"" + std::to_string(xxx_data.c) + "\">\n";

            return content + "</Itemp>\n";
        }
    };

    class XxxDataFormatterCsv final : public XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterCsv()                   = default;
        virtual ~XxxDataFormatterCsv() override = default;

    private:
        virtual std::string const& header() const override
        {
            static auto const header = std::string{"a, b, c\n"};

            return header;
        }

        virtual std::string const& footer() const override
        {
            static auto const footer = std::string{};

            return footer;
        }

        virtual std::string body(XxxData const& xxx_data) const override
        {
            return std::string{std::to_string(xxx_data.a) + ", " + std::to_string(xxx_data.b) + ", "
                               + std::to_string(xxx_data.b) + "\n"};
        }
    };

    TEST(DesignPatternA, TemplateMethod)
    {
        auto xml = XxxDataFormatterXml{};
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml.ToString({1, 100, 10});
            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);

            auto const expect_array = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"2\">\n"
                "    <XxxData b=\"200\">\n"
                "    <XxxData c=\"20\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_array = xml.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});
            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }

        auto csv = XxxDataFormatterCsv{};
        {
            auto expect_scalar = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"};
            auto const actual_scalar = csv.ToString({1, 100, 10});
            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);

            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});
            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

解答例-Factory

    //  exercise/design_pattern_a/factory_lib.h 43
    // [A]
    // 下記クラスXxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvはヘッダファイルで宣言・定義を行ったために
    // 他の.cppファイルから直接アクセスできてしまう。
    // Factoryパターンを用いて、XxxDataFormatterXml、XxxDataFormatterCsvを他の.cppファイルから
    // 直接アクセスできないようにせよ。

    // [解説]
    // 一般的には、Factory関数は
    //      std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF> XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType type);
    // のような形状になるが、今回の例では生成オブジェクトの提供するサービスがconst関数のみであるため、
    // constなunique_ptrを返している。
    // また、さらにこの考え方を進め、newしてオブジェクトの生成をする必要はないことに気づけば、
    // XxxDataFormatterFactory2のようにconstリファレンスを返すこともできる。

    enum class XxxDataFormatterType { Xml, Csv };

    std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF const> XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType type);
    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterFactory2(XxxDataFormatterType type) noexcept;
    //  exercise/design_pattern_a/factory_lib.cpp 77

    std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF const> XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType type)
    {
        switch (type) {
        case XxxDataFormatterType::Xml:
            return std::make_unique<XxxDataFormatterXml>();
        case XxxDataFormatterType::Csv:
            return std::make_unique<XxxDataFormatterCsv>();
        default:
            assert("unknown type");
            return std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF const>{};
        }
    }

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterFactory2(XxxDataFormatterType type) noexcept
    {
        static auto const xml = XxxDataFormatterXml{};
        static auto const csv = XxxDataFormatterCsv{};

        switch (type) {
        case XxxDataFormatterType::Xml:
            return xml;
        case XxxDataFormatterType::Csv:
            return csv;
        default:
            assert("unknown type");
            return csv;
        }
    }
    //  exercise/design_pattern_a/factory.cpp 9

    TEST(DesignPatternA, Factory)
    {
        auto xml = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType::Xml);
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml->ToString({1, 100, 10});

            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);
        }

        auto csv = XxxDataFormatterFactory(XxxDataFormatterType::Csv);
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv->ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});

            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

    TEST(DesignPatternA, Factory2)
    {
        auto const& xml = XxxDataFormatterFactory2(XxxDataFormatterType::Xml);
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml.ToString({1, 100, 10});

            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);
        }

        auto const& csv = XxxDataFormatterFactory2(XxxDataFormatterType::Csv);
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});

            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

解答例-Named Constructor

    //  exercise/design_pattern_a/named_constructor_lib.h 14
    // [A]
    // 下記関数XxxDataFormatterFactoryはインターフェースクラスXxxDataFormatterIFのファクトリ関数
    // である。これをnamed constructorパターンで実装しなおせ。

    // [解説]
    // * XxxDataFormatterIFの特性から、Named ConstructorはXxxDataFormatterIFのconstリファレンスを返す
    //   仕様としたが、戻すオブジェクトの特性より戻り値型は以下のようにすべき。
    //
    //      const/非const | 静的/動的 | 戻す型
    //      --------------+-----------+-----------------------------------
    //      const         | 静的      | XxxDataFormatterIFのconstリファレンス
    //                    | 動的      | std::unique_ptr<const XxxDataFormatterIF>
    //      非const       | 静的      | XxxDataFormatterIFのリファレンス
    //                    | 動的      | std::unique_ptr<XxxDataFormatterIF>
    //
    // * FactoryとNamed Constructorはほぼ等価であり、どちらを使っても派生型の隠蔽という効果は等しい。
    // * 筆者は、今回の例のように静的オブジェクトを返す場合、Named Constructor、
    //   動的オブジェクトを返す場合、Factoryを使用している。

    class XxxDataFormatterIF {
    public:
        XxxDataFormatterIF() = default;
        static XxxDataFormatterIF const& Xml() noexcept;
        static XxxDataFormatterIF const& Csv() noexcept;
        static XxxDataFormatterIF const& Table() noexcept;

        virtual ~XxxDataFormatterIF()                            = default;
        XxxDataFormatterIF(XxxDataFormatterIF const&)            = delete;
        XxxDataFormatterIF& operator=(XxxDataFormatterIF const&) = delete;

        std::string ToString(XxxData const& xxx_data) const
        {
            return header() + body(xxx_data) + footer();
        }

        std::string ToString(std::vector<XxxData> const& xxx_datas) const
        {
            auto ret = header();

            for (auto const& xxx_data : xxx_datas) {
                ret += body(xxx_data);
            }

            return ret + footer();
        }

    private:
        virtual std::string const& header() const                      = 0;
        virtual std::string const& footer() const                      = 0;
        virtual std::string        body(XxxData const& xxx_data) const = 0;
    };
    //  exercise/design_pattern_a/named_constructor_lib.cpp 114

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterIF::Xml() noexcept
    {
        static auto const inst = XxxDataFormatterXml{};
        return inst;
    }

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterIF::Csv() noexcept
    {
        static auto const inst = XxxDataFormatterCsv{};
        return inst;
    }

    XxxDataFormatterIF const& XxxDataFormatterIF::Table() noexcept
    {
        static auto const inst = XxxDataFormatterTable{};
        return inst;
    }
    //  exercise/design_pattern_a/named_constructor.cpp 9

    TEST(DesignPatternA, NamedConstructor)
    {
        auto const& xml = XxxDataFormatterIF::Xml();
        {
            auto const expect_scalar = std::string{
                "<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>\n"
                "<XxxDataFormatterXml>\n"
                "<Item>\n"
                "    <XxxData a=\"1\">\n"
                "    <XxxData b=\"100\">\n"
                "    <XxxData c=\"10\">\n"
                "</Itemp>\n"
                "</XxxDataFormatterXml>\n"};
            auto const actual_scalar = xml.ToString({1, 100, 10});

            ASSERT_EQ(expect_scalar, actual_scalar);
        }

        auto const& csv = XxxDataFormatterIF::Csv();
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "a, b, c\n"
                "1, 100, 100\n"
                "2, 200, 200\n"};
            auto const actual_array = csv.ToString({{1, 100, 10}, {2, 200, 20}});

            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }

        auto const& table = XxxDataFormatterIF::Table();
        {
            auto const expect_array = std::string{
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| a      | b      | c      |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 3      | 300    | 30     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"
                "| 4      | 400    | 40     |\n"
                "+--------|--------|--------+\n"};
            auto const actual_array = table.ToString({{3, 300, 30}, {4, 400, 40}});

            ASSERT_EQ(expect_array, actual_array);
        }
    }

解答例-Proxy

    //  exercise/design_pattern_a/proxy.cpp 8
    // [A]
    // 下記クラスLsDirのFileListはlsコマンドをpopenにより実行し、その戻り値をstd::stringで返す。
    // popenはコストの高いコールなので、パフォーマンスを上げるためにlsの戻り値をキャッシュしたいが、
    // 現行のLsDirも必要である。
    // Proxyパターンを使い、この問題に対処するためのLsDirCachedを作れ。

    #define USE_ACCURATE_PROXY
    #ifdef USE_ACCURATE_PROXY  // 本来#ifdefは問題を発生させるため使うべきではないが、例なので。
    class LsDirIF {
    public:
        LsDirIF()          = default;
        virtual ~LsDirIF() = default;

        void               SetArgs(std::string_view args) { args_ = args; }
        std::string const& GetArgs() const noexcept { return args_; }
        std::string const  FileList() const { return file_list(); }

    private:
        std::string         args_{};
        virtual std::string file_list() const = 0;
    };

    class LsDir : public LsDirIF {
    public:
        LsDir()          = default;
        virtual ~LsDir() = default;

    private:
        virtual std::string file_list() const override
        {
            auto cmd      = std::string{"ls "} + GetArgs();
            auto to_close = [](FILE* f) { fclose(f); };
            auto stream = std::unique_ptr<FILE, decltype(to_close)>{popen(cmd.c_str(), "r"), to_close};

            auto files = std::string{};
            char buff[256];

            while (fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream.get()) != NULL) {
                files += buff;
            }

            return files;
        }
    };

    class LsDirCached : public LsDirIF {
    public:
        LsDirCached()                   = default;
        virtual ~LsDirCached() override = default;

    private:
        mutable std::string latest_ls_{};
        mutable LsDir       ld_no_cache_{};

        virtual std::string file_list() const override
        {
            if (GetArgs() == ld_no_cache_.GetArgs()) {
                return latest_ls_;
            }

            ld_no_cache_.SetArgs(GetArgs());
            latest_ls_ = ld_no_cache_.FileList();

            return latest_ls_;
        }
    };
    #else  // not USE_ACCURATE_PROXY
    class LsDir {
    public:
        LsDir()          = default;
        virtual ~LsDir() = default;

        void               SetArgs(std::string_view args) { args_ = args; }
        std::string const& GetArgs() const { return args_; }
        std::string const  FileList() const { return file_list(); }

    protected:
        virtual std::string file_list() const
        {
            auto cmd      = std::string{"ls "} + GetArgs();
            auto to_close = [](FILE* f) { fclose(f); };
            auto stream = std::unique_ptr<FILE, decltype(to_close)>{popen(cmd.c_str(), "r"), to_close};

            auto files = std::string{};
            char buff[256];

            while (fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream.get()) != NULL) {
                files += buff;
            }

            return files;
        }

    private:
        std::string args_{};
    };

    class LsDirCached : public LsDir {
    public:
        LsDirCached()                   = default;
        virtual ~LsDirCached() override = default;

    protected:
        virtual std::string file_list() const override
        {
            if (GetArgs() == latest_args_) {
                return latest_ls_;
            }

            latest_args_ = GetArgs();
            latest_ls_   = LsDir::file_list();

            return latest_ls_;
        }

    private:
        mutable std::string latest_ls_{};
        mutable std::string latest_args_{};
    };
    #endif

    TEST(DesignPatternA, Proxy)
    {
        auto ld = LsDir{};

        {
            ld.SetArgs("../ut_data/");

            auto exp = std::string{"a.cpp\na.h\nabc.cpp\nabc.h\nd\nefghij.cpp\nefghij.h\nlib\no\n"};
            auto act = ld.FileList();

            ASSERT_EQ(exp, act);
            ASSERT_EQ(act, ld.FileList());
        }
        {
            ld.SetArgs("../ut_data/lib/");

            auto exp = std::string{"lib.cpp\nlib.h\n"};
            auto act = ld.FileList();

            ASSERT_EQ(exp, act);
            ASSERT_EQ(act, ld.FileList());
        }
    }

    TEST(DesignPatternA, Proxy2)
    {
        auto ld = LsDirCached{};

        {
            ld.SetArgs("../ut_data/");

            auto exp = std::string{"a.cpp\na.h\nabc.cpp\nabc.h\nd\nefghij.cpp\nefghij.h\nlib\no\n"};
            auto act = ld.FileList();

            ASSERT_EQ(exp, act);
            ASSERT_EQ(act, ld.FileList());
        }
        {
            ld.SetArgs("../ut_data/lib/");

            auto exp = std::string{"lib.cpp\nlib.h\n"};
            auto act = ld.FileList();

            ASSERT_EQ(exp, act);
            ASSERT_EQ(act, ld.FileList());
        }
    }

    template <typename LSDIR>
    uint32_t measure_performance(LSDIR const& ls_dir, uint32_t count) noexcept
    {
        auto const start = std::chrono::system_clock::now();
        {
            for (decltype(count) i = 0; i < count; ++i) {
                volatile auto const list = ls_dir.FileList();
            }
        }

        auto const stop = std::chrono::system_clock::now();

        return std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(stop - start).count();
    }

    TEST(DesignPatternA, ProxyPerformance)
    {
        auto ld               = LsDir{};
        auto elapsed_no_cache = uint32_t{measure_performance(ld, 10)};
        std::cout << "No Cache Elapse:" << elapsed_no_cache << " usec" << std::endl;

        auto ldc           = LsDirCached{};
        auto elapsed_cache = uint32_t{measure_performance(ldc, 10)};
        std::cout << "Cached Elapse:" << elapsed_cache << " usec" << std::endl;

        ASSERT_LT(30 * elapsed_cache, elapsed_no_cache);  // 30倍に理由はない。
    }

解答例-Strategy

    //  exercise/design_pattern_a/strategy.cpp 12
    // [A]
    // 下記find_filesは醜悪であるだけでなく、拡張性もない。
    // Strategyパターンを用い、この問題に対処せよ。

    using FindCondition = std::function<bool(std::filesystem::path const&)>;

    std::vector<std::string> find_files(std::string const& path, FindCondition condition)
    {
        auto files = std::vector<fs::path>{};

        // recursive_directory_iteratorはファイルシステム依存するため、その依存を排除する他の処理
        std::copy(fs::recursive_directory_iterator{path}, fs::recursive_directory_iterator{},
                  std::back_inserter(files));

        std::sort(files.begin(), files.end());

        auto ret = std::vector<std::string>{};

        std::for_each(files.cbegin(), files.cend(), [&](fs::path const& p) {
            if (condition(p)) {
                ret.emplace_back(p.generic_string());
            }
        });

        return ret;
    }

    bool is_cpp_file(std::filesystem::path const& path)
    {
        auto const        filename = path.filename().generic_string();
        static auto const cpp_file = std::string{".cpp"};

        return (filename.length() > cpp_file.length())
               && (filename.substr(filename.length() - cpp_file.length()) == cpp_file);
    }

    TEST(DesignPatternA, Strategy)
    {
        auto sort = [](auto&& v) {
            std::sort(v.begin(), v.end());
            return v;
        };

        {
            auto exp = sort(std::vector<std::string>{
                "../ut_data/a.cpp", "../ut_data/a.h", "../ut_data/abc.cpp", "../ut_data/abc.h",
                "../ut_data/d/a.d", "../ut_data/efghij.cpp", "../ut_data/efghij.h",
                "../ut_data/lib/lib.cpp", "../ut_data/lib/lib.h", "../ut_data/o/a.o"});
            auto act = find_files("../ut_data",
                                  [](fs::path const& p) noexcept { return fs::is_regular_file(p); });

            ASSERT_EQ(exp, act);
        }
        {
            auto exp = sort(std::vector<std::string>{"../ut_data/d", "../ut_data/lib", "../ut_data/o"});
            auto act = find_files("../ut_data",
                                  [](fs::path const& p) noexcept { return fs::is_directory(p); });

            ASSERT_EQ(exp, act);
        }
        {
            auto exp
                = sort(std::vector<std::string>{"../ut_data/a.cpp", "../ut_data/abc.cpp",
                                                "../ut_data/efghij.cpp", "../ut_data/lib/lib.cpp"});
            auto act = find_files("../ut_data", is_cpp_file);

            ASSERT_EQ(exp, act);
        }
    }

解答例-Visitor

    //  exercise/design_pattern_a/visitor.cpp 9
    // [A]
    // 下記クラスFile、Dir、OtherEntityはクラスFileEntityから派生し、
    // それぞれが自身をstd::stringに変換するアルゴリズム関数
    //      * to_string_normal()
    //      * to_string_with_char()
    //      * to_string_with_children()
    // をオーバーライドしている。これはポリモーフィズムの使用方法としては正しいが、
    // to_string_xxx系統のインターフェースがが大量に増えた場合に、
    // FileEntityのインターフェースがそれに比例して増えてしまう問題を持っている。
    // Visitorパターンを使用しこれに対処せよ。

    // [解説]
    // * 通常の例では、Visitor::Visit()の戻り値はvoidになっていることが多いが、この例では
    //   std::stringにした。Visitorパターンは戻り値が同じでなければ適用できない。
    // * Visitorパターンは静的型付け言語のダブルディスパッチと呼ばれるテクニックを使っている。
    //      * 1つ目のディスパッチは、Visitor::Visitのオーバーロードによって行われる。
    //      * 2つ目のディスパッチは、Visitorの派生クラスのオーバーライドによって行われる。
    // * デザインパターンとはそういうものであるが、この例でもVisitorの導入によって返って複雑になった。
    //   しかし、to_string_xxxのようなアルゴリズムが10個、20個とあるような場合等には、
    //   クラスの肥大化を防ぐ有用な手段となる。

    class Visitor;

    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string const& pathname) : pathname_{strip(pathname)} {}
        virtual ~FileEntity() = default;
        std::string const& Pathname() const noexcept { return pathname_; }
        std::string        ToString(Visitor const& to_s) const { return to_string(to_s); }

    private:
        std::string const pathname_;

        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const = 0;
        static std::string  strip(std::string const& pathname)
        {
            return std::regex_replace(pathname, std::regex{R"(/+$)"}, "");
        }
    };

    class File;
    class Dir;
    class OtherEntity;

    class Visitor {
    public:
        virtual ~Visitor() = default;
        std::string Visit(File const& file) const { return visit(file); }
        std::string Visit(Dir const& dir) const { return visit(dir); }
        std::string Visit(OtherEntity const& other) const { return visit(other); }

    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const     = 0;
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const       = 0;
        virtual std::string visit(OtherEntity const& f) const = 0;
    };

    class File final : public FileEntity {
    public:
        explicit File(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    };

    class Dir final : public FileEntity {
    public:
        explicit Dir(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    };

    class OtherEntity final : public FileEntity {
    public:
        explicit OtherEntity(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}

    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    };

    class ToStringNormal : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return dir.Pathname() + '/'; }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override { return other.Pathname(); }
    };

    class ToStringWithChar : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return dir.Pathname() + '/'; }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override
        {
            return other.Pathname() + '+';
        }
    };

    class ToStringWithChildren : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return find_files(dir.Pathname()); }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override { return other.Pathname(); }

        static std::string find_files(std::string const& dir)
        {
            namespace fs = std::filesystem;

            auto files = std::vector<std::string>{};

            std::for_each(fs::recursive_directory_iterator{dir}, fs::recursive_directory_iterator{},
                          [&files](fs::path const& p) { files.emplace_back(p.generic_string()); });

            std::sort(files.begin(), files.end());

            auto ret = std::string{dir};

            for (auto f : files) {
                ret += ' ' + f;
            }

            return ret;
        }
    };

    TEST(DesignPatternA, Visitor)
    {
        auto ts_normal   = ToStringNormal{};
        auto ts_char     = ToStringWithChar{};
        auto ts_children = ToStringWithChildren{};

        auto const f0 = File{"../ut_data/a.cpp"};
        auto const f1 = File{"../ut_data/a.cpp///"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_children));

        auto const dir = Dir{"../ut_data/lib/"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/lib", dir.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib ../ut_data/lib/lib.cpp ../ut_data/lib/lib.h",
                  dir.ToString(ts_children));

        auto const other = OtherEntity{"symbolic_link"};

        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.Pathname());
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("symbolic_link+", other.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToString(ts_children));
    }

解答例-CRTP

    //  exercise/design_pattern_a/crtp.cpp 9
    // [A]
    // 下記クラスFileEntityから派生しクラスFile、Dir、OtherEntityは、
    // Visitorパターンを利用しているため、そのすべてで下記のコードクローンを持つ。
    //
    //    virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const { return to_s.Visit(*this); }
    //
    // このコードクローンのthisの型は、それぞれFile、Dir、OtherEntityとなるため、
    // この関数をFileEntityで定義すると動作が変わってしまい、単純には統一できない。
    // CRTPを用い、このクローンを削除せよ。

    // [解説]
    // 下記のクラステンプレートAcceptableFileEntityと、
    // それから派生したFile、Dir、OtherEntityがCRTPを実装し、コードクローンを排除した。

    class Visitor;

    class FileEntity {
    public:
        explicit FileEntity(std::string const& pathname) : pathname_{strip(pathname)} {}
        virtual ~FileEntity() = default;
        std::string const& Pathname() const { return pathname_; }
        std::string        ToString(Visitor const& to_s) const { return to_string(to_s); }

    private:
        std::string const pathname_;

        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const = 0;
        static std::string  strip(std::string const& pathname)
        {
            return std::regex_replace(pathname, std::regex{R"(/+$)"}, "");
        }
    };

    class File;
    class Dir;
    class OtherEntity;

    class Visitor {
    public:
        virtual ~Visitor() = default;
        std::string Visit(File const& file) const { return visit(file); }
        std::string Visit(Dir const& dir) const { return visit(dir); }
        std::string Visit(OtherEntity const& other) const { return visit(other); }

    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const     = 0;
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const       = 0;
        virtual std::string visit(OtherEntity const& f) const = 0;
    };

    template <typename T>
    class AcceptableFileEntity : public FileEntity {  // CRTP
    private:
        virtual std::string to_string(Visitor const& to_s) const
        {
            return to_s.Visit(*static_cast<T const*>(this));
        }

        // T : public AcceptableFileEntity<T> { ... };
        // 以外の使い方をコンパイルエラーにする
        AcceptableFileEntity(std::string const& pathname) : FileEntity{pathname} {}
        friend T;
    };

    class File final : public AcceptableFileEntity<File> {
    public:
        File(std::string const& pathname) : AcceptableFileEntity{pathname} {}
    };

    class Dir final : public AcceptableFileEntity<Dir> {
    public:
        Dir(std::string const& pathname) : AcceptableFileEntity{pathname} {}
    };

    class OtherEntity final : public AcceptableFileEntity<OtherEntity> {
    public:
        OtherEntity(std::string const& pathname) : AcceptableFileEntity{pathname} {}
    };

    class ToStringNormal : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return dir.Pathname() + '/'; }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override { return other.Pathname(); }
    };

    class ToStringWithChar : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return dir.Pathname() + '/'; }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override
        {
            return other.Pathname() + '+';
        }
    };

    class ToStringWithChildren : public Visitor {
    private:
        virtual std::string visit(File const& file) const override { return file.Pathname(); }
        virtual std::string visit(Dir const& dir) const override { return find_files(dir.Pathname()); }
        virtual std::string visit(OtherEntity const& other) const override { return other.Pathname(); }

        static std::string find_files(std::string const& dir)
        {
            namespace fs = std::filesystem;

            auto files = std::vector<std::string>{};

            std::for_each(fs::recursive_directory_iterator{dir}, fs::recursive_directory_iterator{},
                          [&files](fs::path const& p) { files.emplace_back(p.generic_string()); });

            std::sort(files.begin(), files.end());

            auto ret = std::string{dir};

            for (auto f : files) {
                ret += ' ' + f;
            }

            return ret;
        }
    };

    TEST(DesignPatternA, CRTP)
    {
        auto ts_normal   = ToStringNormal{};
        auto ts_char     = ToStringWithChar{};
        auto ts_children = ToStringWithChildren{};

        auto const f0 = File{"../ut_data/a.cpp"};
        auto const f1 = File{"../ut_data/a.cpp///"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.Pathname());

        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("../ut_data/a.cpp", f0.ToString(ts_children));

        auto const dir = Dir{"../ut_data/lib/"};

        ASSERT_EQ("../ut_data/lib", dir.Pathname());
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib/", dir.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("../ut_data/lib ../ut_data/lib/lib.cpp ../ut_data/lib/lib.h",
                  dir.ToString(ts_children));

        auto const other = OtherEntity{"symbolic_link"};

        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.Pathname());
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToString(ts_normal));
        ASSERT_EQ("symbolic_link+", other.ToString(ts_char));
        ASSERT_EQ("symbolic_link", other.ToString(ts_children));
    }

解答例-Observer

    //  exercise/design_pattern_a/observer.cpp 9
    // [A]
    // 下記クラスはそれぞれが
    //      * ViewX、 ViewY : GUIへの出力(描画)
    //      * Model         : 何らかのビジネスロジックの演算
    //      * Controller    : OKボタンクリックイベントをModelへ通知
    // を行うことを模擬している。
    // 依存関係Model->ViewX、ViewYはMVCに逆行しているため下記のような問題を持つ。
    //      * ViewX、ViewYの変更がModelに伝搬してしまう。
    //      * この例は単純であるためViewX、ViewY->Modelへの依存関係は存在しないが、
    //        実際のアプリケーションではそのような依存関係が存在するため、依存関係が循環してしまう。
    //      * ModelがダイレクトにViewX、ViewYへ出力するため、単体テストの実施は困難である。
    //      * この依存関係が直接の原因ではないが、このような依存関係を持つアプリケーションのクラスは
    //        巨大になる。
    //  アプリケーションが小規模である時には、このような問題がバグや開発効率悪化の原因となることは稀
    //  であり放置されることが多いが、大規模化に伴いこのような潜在的問題が表出する。
    //  ModelにObserverパターンを適用する等をしてこの問題に対処するとともに、Modelの単体テストを行え。

    // [解説]
    // * Observerパターンの使用について
    //      * ObserverIFはModelを宣言、定義しているヘッダファイルに定義する。
    //      * 何らかの理由でそうしない場合は、ObserverIFはModelを含むパッケージ内に定義する。
    // * Observerパターンの導入により、
    //      * ModelはViewX、ViewYに依存しなくなったが、代わりにObserverIFに依存する。
    //      * この依存関係はObserverIFがModelヘッダに含まれることで問題にならない。
    // * その他
    //      * 通常は、Attachに対してDetachも定義するが、AttachされたオブジェクトをDetachしない
    //        場合は、今回の例のようにAttachされたオブジェクトの廃棄をModelにさせた方が良い。
    //      * こういった動作の確認にもForTestクラスを使用した。

    class ObserverIF {
    public:
        void DisplaySomething(std::string const& result) { display_something(result); }
        virtual ~ObserverIF() = default;

    private:
        virtual void display_something(std::string const&) = 0;
    };

    class Model {
    public:
        Model() = default;
        ~Model() { wait_future(); }

        // Detachできない仕様にする。その代わりにobserverの廃棄もModelに任せることができる。
        void Attach(std::unique_ptr<ObserverIF> observer)
        {
            observers_.emplace_back(std::move(observer));
        }

        void DoSomething()
        {
            wait_future();

            future_ = std::async(std::launch::async, [this] {
                // 本来は非同期処理が必要な重い処理
                auto result = std::string{"result of doing something"};

                notify(result);
            });
        }

    private:
        std::future<void>                        future_{};
        std::vector<std::unique_ptr<ObserverIF>> observers_{};

        void notify(std::string const& result) const
        {
            for (auto& observer : observers_) {
                observer->DisplaySomething(result);
            }
        }

        void wait_future()
        {
            if (future_.valid()) {
                future_.wait();
            }
        }
    };

    class ViewX : public ObserverIF {
    private:
        virtual void display_something(std::string const&) override {}
    };

    class ViewY : public ObserverIF {
    private:
        virtual void display_something(std::string const&) override {}
    };

    class Controller {
    public:
        Controller(Model& model) : model_{model} {}
        void OK_Clicked() { model_.DoSomething(); }

        Model& model_;
    };

    class ForTest : public ObserverIF {
    public:
        explicit ForTest(std::string& result, uint32_t& called, bool& destructed)
            : result_{result}, called_{called}, destructed_{destructed}
        {
        }
        virtual ~ForTest() override { destructed_ = true; }

    private:
        virtual void display_something(std::string const& result) noexcept override
        {
            result_ = result;
            ++called_;
        }

        std::string& result_;
        uint32_t&    called_;
        bool&        destructed_;
    };

    TEST(DesignPatternA, Observer)
    {
        auto result     = std::string{};
        auto called     = 0U;
        auto destructed = false;

        {
            auto model      = Model{};
            auto controller = Controller{model};

            model.Attach(std::make_unique<ViewX>());
            model.Attach(std::make_unique<ViewY>());
            model.Attach(std::make_unique<ForTest>(result, called, destructed));

            controller.OK_Clicked();
            controller.OK_Clicked();
            controller.OK_Clicked();
        }

        ASSERT_EQ("result of doing something", result);
        ASSERT_EQ(3, called);
        ASSERT_TRUE(destructed);
    }

解答-デザインパターン選択1

解答-デザインパターン選択2

解答-デザインパターン選択3

開発プロセスとインフラ(全般)

解答-プロセス分類

解答-V字モデル

解答-アジャイル

解答-自動化

解答-単体テスト

解答-リファクタリングに付随する活動

解答-リファクタリング対象コード

解答-CI

テンプレートメタプログラミング

解答例-パラメータパック

    //  exercise/template_a/parameter_pack.cpp 7
    // [A]
    // 下記の関数Maxは、単体テストが示す通り、2つのパラメータの大きい方を返す。
    // 任意の個数の引数を取れるようにMaxを修正せよ。

    // 解答例1
    // パラメータパックを使用しMaxを修正した例
    template <typename T>
    T Max(T const& t0, T const& t1) noexcept
    {
        return t0 > t1 ? t0 : t1;
    }

    template <typename HEAD, typename... ARGS>
    auto Max(HEAD const& head, ARGS const&... args) noexcept
    {
        auto args_max = Max(args...);

        return head > args_max ? head : args_max;
    }

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, parameter_pack)
    {
        ASSERT_EQ(2, Max(1, 2));
        ASSERT_EQ("bcd", Max(std::string{"abc"}, std::string{"bcd"}));

        ASSERT_EQ(3, Max(1, 2, 3));
        ASSERT_EQ("efg", Max(std::string{"abc"}, std::string{"bcd"}, std::string{"efg"}));
    }

    // 解答例2
    // std::initializer_listを使用しMaxを修正した例
    template <typename T>
    T Max(std::initializer_list<T> t_list) noexcept
    {
        auto ret   = T{};
        auto first = true;

        for (auto const& t : t_list) {
            if (std::exchange(first, false)) {
                ret = t;
            }
            else {
                ret = Max(ret, t);
            }
        }

        return ret;
    }

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, initializer_list)
    {
        ASSERT_EQ(2, Max({1, 2}));
        ASSERT_EQ("bcd", Max({std::string{"abc"}, std::string{"bcd"}}));

        ASSERT_EQ(3, Max({1, 2, 3}));
        ASSERT_EQ("efg", Max({std::string{"abc"}, std::string{"bcd"}, std::string{"efg"}}));
    }

解答例-エイリアステンプレート

    //  exercise/template_a/template_alias.cpp 5
    // [A]
    // 下記の単体テストでしているstd::vector<std::vector<XXX>>を、
    // テンプレートエイリアスによって簡潔に記述せよ。

    // 解説
    // 下記のVect1Dはstd::vectorに対して簡潔な記述方法を提供しているとは言えないが、
    // Vect2Dと同じような場面で使用することが明示されるため、ソースコードに一貫性を与える。

    template <typename T>
    using Vect2D = std::vector<std::vector<T>>;

    template <typename T>
    using Vect1D = std::vector<T>;

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, template_alias)
    {
        {
            auto vv = Vect2D<int>{{1, 2, 3}, {3, 4, 5}};
            ASSERT_EQ(2, vv.size());
            ASSERT_EQ((Vect1D<int>{1, 2, 3}), vv[0]);
            ASSERT_EQ((Vect1D<int>{3, 4, 5}), vv[1]);
            ASSERT_EQ(5, vv[1][2]);
        }
        {
            auto vv = Vect2D<float>{{1, 2, 3}, {3, 4, 5}};
            ASSERT_EQ(2, vv.size());
            ASSERT_EQ((Vect1D<float>{1, 2, 3}), vv[0]);
            ASSERT_EQ((Vect1D<float>{3, 4, 5}), vv[1]);
            ASSERT_EQ(5, vv[1][2]);
        }
        {
            auto vv = Vect2D<std::string>{{"1", "2", "3"}, {"3", "4", "5"}};
            ASSERT_EQ(2, vv.size());
            ASSERT_EQ((Vect1D<std::string>{"1", "2", "3"}), vv[0]);
            ASSERT_EQ((Vect1D<std::string>{"3", "4", "5"}), vv[1]);
            ASSERT_EQ("5", vv[1][2]);
        }
    }

解答例-名前空間による修飾不要なoperator<<

    //  exercise/template_a/put_to.cpp 3
    // [A]
    // 下記のように名前空間TemplateMP、エイリアスInts_tとそのoperator<<が定義されている場合、
    // 単体テストで示した通り、Ints_tのoperator<<を使用するためには、
    // 名前空間による修飾やusing宣言/ディレクティブの記述が必要になる。
    // Ints_tをstd::vectorから継承したクラスとして定義することにより、このような記述を不要にせよ。

    namespace TemplateMP {

    struct Ints_t : std::vector<int> {
        using std::vector<int>::vector;  // 継承コンストラクタ
    };

    std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Ints_t const& ints)
    {
        auto first = true;
        for (auto i : ints) {
            if (!std::exchange(first, false)) {
                os << " : ";
            }
            os << i;
        }

        return os;
    }
    }  // namespace TemplateMP

    namespace {
    TEST(TemplateMetaProgrammingA, put_to)
    {
        {
            auto oss  = std::ostringstream{};
            auto ints = TemplateMP::Ints_t{1, 2, 3};

            oss << ints;  // ADLによるname lookup

            ASSERT_EQ("1 : 2 : 3", oss.str());
        }
    }
    }  // namespace

解答例-std::arrayの継承

    //  exercise/template_a/safe_array.cpp 5
    // [A]
    // std::array、std::vector、std::string等のSTLの配列型コンテナはインデックスアクセスに対して、
    // レンジのチェックをしないため、不正なメモリアクセスをしてしまうことがある。
    // std::arrayを使用して、このような問題のないSafeArrayを作り、単体テストを行え。

    template <typename T, std::size_t N>
    struct SafeArray : std::array<T, N> {
        using std::array<T, N>::array;  // 継承コンストラクタ

        template <typename... ARGS>  // コンストラクタを定義
        SafeArray(ARGS... args) noexcept(std::is_nothrow_constructible_v<T, ARGS...>)
            : base_type{args...}
        {
        }

        using base_type = std::array<T, N>;
        using size_type = typename base_type::size_type;

        typename base_type::reference       operator[](size_type i) { return this->at(i); }
        typename base_type::const_reference operator[](size_type i) const { return this->at(i); }
    };

    namespace {
    TEST(TemplateMetaProgrammingA, safe_array)
    {
        auto sa = SafeArray<int, 3>{1, 2, 3};

        static_assert(std::is_nothrow_constructible_v<decltype(sa), int>);
        ASSERT_EQ(3, sa.size());
        ASSERT_EQ(1, sa[0]);
        ASSERT_EQ(2, sa[1]);
        ASSERT_EQ(3, sa[2]);
        ASSERT_THROW(sa[3], std::out_of_range);

        auto sa2 = SafeArray<std::string, 2>{"1", "2"};

        static_assert(!std::is_nothrow_constructible_v<decltype(sa2), char const*>);
        ASSERT_EQ(2, sa2.size());
        ASSERT_EQ("1", sa2[0]);
        ASSERT_EQ("2", sa2[1]);
        ASSERT_THROW(sa2[2], std::out_of_range);
    }
    }  // namespace

解答例-SFINAEを利用しない関数テンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_a/is_void.cpp 3
    // [A]
    // 下記の仕様を満たす関数テンプレートis_void_f<T>と定数テンプレートis_void_f_v<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、trueを返す
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、falseを返す
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_f() noexcept
    {
        return false;
    }

    template <>
    constexpr bool is_void_f<void>() noexcept
    {
        return true;
    }

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_f_v{is_void_f<T>()};

    namespace IsVoidTest {
    void        test_func_0() noexcept {};
    std::string test_func_1() { return "test"; };
    }  // namespace IsVoidTest

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, is_void_f)
    {
        static_assert(!is_void_f_v<int>);
        static_assert(is_void_f_v<void>);
        static_assert(is_void_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    }
    }  // namespace

解答例-SFINAEを利用しないクラステンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_a/is_void.cpp 43
    // [A]
    // 下記の仕様を満たすクラステンプレートis_void_s<T>と定数テンプレートis_void_s_v<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、メンバvalueがtrueになる
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、メンバvalueがtrueになる
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * std::true_type/std::false_typeを利用する
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    template <typename T>
    struct is_void_s : std::false_type {
    };

    template <>
    struct is_void_s<void> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_s_v{is_void_s<T>::value};

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, is_void_s)
    {
        static_assert(!is_void_s_v<int>);
        static_assert(is_void_s_v<void>);
        static_assert(is_void_s_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_s_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    }
    }  // namespace

解答例-SFINAEを利用した関数テンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_a/is_void.cpp 75
    // [A]
    // 下記の仕様を満たす関数テンプレートis_void_sfinae_f<T>と
    // 定数テンプレートis_void_sfinae_f<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、trueを返す
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、falseを返す
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * SFINAEを利用する
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    namespace Inner_ {

    // T == void
    template <typename T>
    constexpr auto is_void_sfinae_f_detector(void const* v, T const* t) noexcept
        -> decltype(t = v, bool{})  // T != voidの場合、t = vはill-formed
                                    // T == voidの場合、well-formedでbool型生成
    {
        return true;
    }

    constexpr auto is_void_sfinae_f_detector(...) noexcept  // name lookupの順位は最低
    {
        return false;
    }
    }  // namespace Inner_

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_f() noexcept
    {
        return Inner_::is_void_sfinae_f_detector(nullptr, static_cast<T*>(nullptr));
    }

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_f_v{is_void_sfinae_f<T>()};

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, is_void_sfinae_f)
    {
        static_assert(!is_void_sfinae_f_v<int>);
        static_assert(is_void_sfinae_f_v<void>);
        static_assert(is_void_sfinae_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_sfinae_f_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    }
    }  // namespace

解答例-SFINAEを利用したクラステンプレートの特殊化によるis_void

    //  exercise/template_a/is_void.cpp 123
    // [A]
    // 下記の仕様を満たすクラステンプレートis_void_sfinae_s<T>と
    // 定数テンプレートis_void_sfinae_s_v<T>を作れ。
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidの場合、メンバvalueがtrueになる
    //    * 与えられたテンプレートパラメータがvoidでない場合、メンバvalueがtrueになる
    //    * std::is_sameを使わない
    //    * std::true_type/std::false_typeを利用する
    //    * SFINAEを利用する
    //    * 下記の単体テストをパスする(#if 0を削除してもコンパイルできる)

    namespace Inner_ {

    template <typename T>
    T*& t2ptr();

    }  // namespace Inner_

    template <typename T, typename = void*&>
    struct is_void_sfinae_s : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct is_void_sfinae_s<T, decltype(Inner_::t2ptr<T>() = Inner_::t2ptr<void>())> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_void_sfinae_s_v{is_void_sfinae_s<T>::value};

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, is_void_sfinae_s)
    {
        static_assert(!is_void_sfinae_s_v<int>);
        static_assert(is_void_sfinae_s_v<void>);
        static_assert(is_void_sfinae_s_v<decltype(IsVoidTest::test_func_0())>);
        static_assert(!is_void_sfinae_s_v<decltype(IsVoidTest::test_func_1())>);
    }
    }  // namespace

解答例-テンプレートテンプレートパラメータ

    //  exercise/template_a/template_template.cpp 5
    // [A]
    // 以下の仕様を満たすクラステンプレートを作れ。
    //  * 任意のSTLコンテナを唯一のテンプレートパラメータとする
    //  * そのコンテナを使用しint型のデータを格納する

    template <template <class...> class STL_CONTAINER>
    struct IntContainer : STL_CONTAINER<int> {
        using STL_CONTAINER<int>::STL_CONTAINER;
    };

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, template_template)
    {
        auto vi = IntContainer<std::vector>{1, 2, 3};
        auto vl = IntContainer<std::list>{1, 2, 3};
        auto vs = IntContainer<std::basic_string>{1, 2, 3};  // 意味は不明だがこれも可能

        ASSERT_EQ((std::vector<int>{1, 2, 3}), vi);
        ASSERT_EQ((std::list<int>{1, 2, 3}), vl);
        ASSERT_EQ((std::basic_string<int>{1, 2, 3}), vs);
    }
    }  // namespace

解答例-テンプレートパラメータを可変長にしたstd::is_same

    //  exercise/template_a/is_same.cpp 3
    // [A]
    // 以下の仕様を満たすクラステンプレートis_same_some_of<T, U...>と
    // 定数テンプレートis_same_some_of_v<T, U...>を作れ。
    //  * 2個以上のテンプレートパラメータを持つ
    //  * 第1パラメータと他のパラメータの何れかが同一の型であった場合、メンバvalueがtrueになる
    //  * 前行の条件が成立しなかった場合、メンバvalueがfalseになる
    //  * 型の同一性はstd::is_sameを使って判定する

    template <typename T, typename U, typename... Us>
    struct is_same_some_of {
        static constexpr bool value{std::is_same_v<T, U> ? true : is_same_some_of<T, Us...>::value};
    };

    template <typename T, typename U>
    struct is_same_some_of<T, U> {
        static constexpr bool value{std::is_same_v<T, U>};
    };

    template <typename T, typename U, typename... Us>
    constexpr bool is_same_some_of_v{is_same_some_of<T, U, Us...>::value};

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, is_same_some_of)
    {
        static_assert(!is_same_some_of_v<int, int8_t, int16_t, uint16_t>);
        static_assert(is_same_some_of_v<int, int8_t, int16_t, uint16_t, int32_t>);
        static_assert(is_same_some_of_v<int&, int8_t, int16_t, int32_t&, int32_t>);
        static_assert(!is_same_some_of_v<int&, int8_t, int16_t, uint32_t&, int32_t>);
        static_assert(is_same_some_of_v<std::string, int, char*, std::string>);
        static_assert(!is_same_some_of_v<std::string, int, char*>);
    }
    }  // namespace

解答例-メンバ関数の存在の診断

    //  exercise/template_a/exists_func.cpp 5
    // [A]
    // テンプレートパラメータの型がメンバ関数c_str()を持つか否かを判定する
    // クラステンプレートhas_c_str<T>と定数テンプレートhas_c_str_v<T>を作れ。

    template <typename T, typename U = bool>
    struct has_c_str : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct has_c_str<T, decltype(std::declval<T>().c_str(), bool{})> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool has_c_str_v{has_c_str<T>::value};

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, has_c_str)
    {
        static_assert(has_c_str_v<std::string>);
        static_assert(!has_c_str_v<std::vector<int>>);
    }
    }  // namespace

解答例-範囲for文のオペランドになれるかどうかの診断

    //  exercise/template_a/exists_func.cpp 31
    // [A]
    // 範囲for文は、
    //      for(auto a : obj ) { ... }
    // のような形式で表現される。
    // テンプレートパラメータから生成されたオブジェクトが、
    // このobjに指定できるか否かを判定するクラステンプレートis_range<T>
    // と定数テンプレートis_range_v<T>を作れ。

    // 解説
    // 上記objに指定できるための条件は、std::begin()、std::end()の引数になれることとした。
    // セマンティクス的に正しいstd::begin()、std::end()は、それぞれが最初と最後を表す
    // イテレータ(もしくはポインタ)でなければならないが、それはテンプレートでの判定の範囲外である。

    template <typename, typename = bool>
    struct exists_begin : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_begin<T, decltype(std::begin(std::declval<T&>()), bool{})> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_begin_v{exists_begin<T>::value};

    template <typename, typename = bool>
    struct exists_end : std::false_type {
    };

    template <typename T>
    struct exists_end<T, decltype(std::end(std::declval<T&>()), bool{})> : std::true_type {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool exists_end_v{exists_end<T>::value};

    template <typename T>
    struct is_range
        : std::conditional_t<exists_begin_v<T> && exists_end_v<T>, std::true_type, std::false_type> {
    };

    template <typename T>
    constexpr bool is_range_v{is_range<T>::value};

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, is_range)
    {
        static_assert(is_range_v<std::string>);
        static_assert(is_range_v<std::vector<int>>);
        static_assert(!is_range_v<std::mutex>);
        static_assert(!is_range_v<std::lock_guard<std::mutex>>);
    }
    }  // namespace

解答例-配列の長さの取り出し

    //  exercise/template_a/array_op.cpp 3
    // [A]
    // 配列を引数に取り、その長さを返す関数テンプレートarray_lengthを作れ。

    template <typename T, size_t N>
    constexpr size_t array_length(T const (&)[N]) noexcept
    {
        return N;
    }

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, array_length)
    {
        int         i[5];
        std::string str[]{"a", "b", "c"};

        static_assert(array_length(i) == 5);
        static_assert(array_length(str) == 3);
    }
    }  // namespace

解答例-配列の次元の取り出し

    //  exercise/template_a/array_op.cpp 26
    // [A]
    // 配列を引数に取り、その次元を返す関数テンプレートarray_dimensionを作れ。

    constexpr size_t array_dimension(...) noexcept { return 0; }

    template <typename T, size_t N>
    constexpr size_t array_dimension(T const (&t)[N]) noexcept
    {
        return 1 + array_dimension(t[0]);
    }

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, array_dimension)
    {
        constexpr int i1[5]{};
        constexpr int i2[5][2]{};
        constexpr int i3[5][2][3]{};

        static_assert(array_dimension(i1) == 1);
        static_assert(array_dimension(i2) == 2);
        static_assert(array_dimension(i3) == 3);
    }
    }  // namespace

解答例-関数型のテンプレートパラメータを持つクラステンプレート

    //  exercise/template_a/scoped_guard.cpp 8
    // [A]
    // RAIIを行うための下記クラスscoped_guardをstd::functionを使わずに再実装せよ。

    template <typename FUNC>
    class scoped_guard {
    public:
        explicit scoped_guard(FUNC&& f) noexcept : f_{f}
        {
            static_assert(std::is_nothrow_invocable_r_v<void, FUNC>, "FUNC()() must return void");
        }
        ~scoped_guard() { f_(); }

        scoped_guard(scoped_guard const&)   = delete;   // copy禁止
        scoped_guard(scoped_guard&&)        = default;  // move
        void operator=(scoped_guard const&) = delete;   // copy代入禁止
        void operator=(scoped_guard&&)      = delete;   // move代入禁止

    private:
        FUNC f_;
    };

    namespace {

    TEST(TemplateMetaProgrammingA, scoped_guard)
    {
        {
            auto demangled = abi::__cxa_demangle(typeid(std::vector<int>).name(), 0, 0, nullptr);
            auto f         = [demangled]() noexcept { free(demangled); };
            auto sg        = scoped_guard<decltype(f)>{std::move(f)};  // C++14までの記法

            ASSERT_STREQ("std::vector<int, std::allocator<int> >", demangled);
        }
        {
            auto demangled = abi::__cxa_demangle(typeid(std::vector<int>).name(), 0, 0, nullptr);
            auto gs = scoped_guard{[demangled]() noexcept { free(demangled); }};  // C++17からの記法

            ASSERT_STREQ("std::vector<int, std::allocator<int> >", demangled);
        }
        {
            auto stream = popen("ls " __FILE__, "r");
            auto f      = [stream]() noexcept { fclose(stream); };
            auto sg     = scoped_guard<decltype(f)>{std::move(f)};  // C++14までの記法

            char buff[256]{};
            fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream);

            ASSERT_STREQ("scoped_guard.cpp\n", buff);
        }
        {
            auto stream = popen("ls " __FILE__, "r");
            auto gs = scoped_guard{[stream]() noexcept { fclose(stream); }};  // C++17からの記法

            char buff[256]{};
            fgets(buff, sizeof(buff) - 1, stream);

            ASSERT_STREQ("scoped_guard.cpp\n", buff);
        }
    }
    }  // namespace

参考文献

このドキュメントを書くにあたり参考にした書籍や、 さらに学習を進めたい読者に薦める書籍を下記する。 出版後10年以上が経過したものも少なくないが、 その理由はソフトウェア開発の肝要は急激に変化することがないことと、 これら書籍のほとんどが不朽の必読書と言って良いレベルであることによる。

このドキュメントの構成に戻る。


プロセス・プラクティス

設計・デザイン

C++・C

あとがき

すでに述べたように組織のソフトウェア開発能力は、以下の三要素に基づいている。

それぞれの観点から、ソフトウェア開発に未熟な組織について考察してみたい。


このドキュメントの構成に戻る。

インフラ

ソフトウェア開発においてインフラとは、

のようなプログラマが直接使用するツールに加えて、

のようなプログラマを陰で支えるツール等がある。 概ねそれらは安価もしくは無料で入手できるため、 もしそれらを使っていない(もしくはそれらの性能を十分に引き出していない)のであれば、 その理由は予算がないことではない。

多くのソフトウェア開発は、何もないところから始まらない。 前リリースのソースコードを起点として、次期開発を行うことがほとんどである。 とすれば、 開発の起点となるソースコードは上記インフラよりもはるかに重要なインフラであることに気づく。

自明のことであるが、次期ソフトウェアの開発効率はこのソースコードの品質に強く依存する。 このことはよく知られているはずなのに、品質の悪いソースコードを捨てることも、 改善することもなく次期開発開の起点にしてしまう理由は何なのだろうか?

「便利なツールを使っていない(使いこなしていない)」前者にしても、 「品質の悪いソースコードを使い続ける」後者にしてもにしても、 「あるべき姿になっていない」ことは共通している。 そして、その言い訳として「工数がない」のである。 残念ながらこの分析は間違っている。工数不足は原因ではなく結果である。

プロセス

組み立て工場において、製造工程に工員の高度な技量や知識は不要である。 そのため、極端に言えば誰がやってもほぼ同じものを作ることができる。 製品の組み立て工程が、高度な技量や熟練を必要としないようにデザインされているからであり、 これが可能になる理由は、組み立て行為が単純作業であるためである。

ソフトウェア開発には、複雑で高度な思考、意思決定が必要となるため、 誰がやっても同じ成果物を作り出せるようなプロセスのデザインは不可能である。 にもかかわらず、ソフトウェア開発に組み立て工場のアナロジーを持ち込み、 誰がやっても同じ成果物を作り出せるようなプロセスをデザインしようとする人々がいる。

それとは逆に、ソフトウェア開発は融通無碍であるべきとばかりに、 何のルールもなくカウボーイスタイルのプログラミングが横行するチームもある。 主張の強いプログラマがこのような思想を持ち、 マネージメントが機能しないとこのようなカオス状態のソフトウェア開発が行われる。

前者をプロセス万能主義、後者をプロセス無力主義と呼ぶことにする。 万能主義、無力主義どちらの場合も、プロセスに対する無知がその根底にある。 この二つは対極的な思想に思えるが、現場の混乱、非効率な開発、 バグだらけのソフトウェア等の同様な現象を引き起こす。

万能主義は、さらに大きな問題を引き起こす。 効果が疑わしいプロセス(解読困難なソースコードのレビュー等)を押しつれられたプログラマは いずれやってもいないことをやったことにしてしまう。 これによって引き起こされたモラルハザードはさらにソフトウェア開発を難しくする。

この両チームより少しだけ気の利いたチームは、 万能主義にも無力主義に陥ることなくアジャイル系プロセスを導入することで改善を始める。 ただし、ハードルの高いキープラクティス (単体テストや統合テストの自動化、CI等)の導入は無視してしまう。 そして数か月後、無視したプラクティス無しではそのプロセスは役に立たないことを証明してしまう。

このようなチームのリーダーやマネージャに「なぜこんなことになったのか?」と問えば、 改善する「工数がなかった」と答えるだろう。 残念ながらこの分析も間違っている。工数不足は原因ではなく結果である。

プログラマ(人材)

前述したとおり、

という主張は、ほとんどの場合、因果関係が逆である。

というのが実状に近い。では、適切なインフラやプロセスを使えない原因は何だろうか?

良いソースコードは良いプログラマにしか書けず、知識豊富なプログラマのみが開発用ツールを使いこなす。 プロセスについても同様で、比較的容易に導入できるといわれているSCRUM等の軽量プロセスであっても、 高いレベルのプログラマ無しで導入・運用することは不可能である。

つまり、優れたプログラマ無くして適切なインフラ構築やプロセス運用はできないのである。 従って、不適切なインフラやプロセスを使い続ける原因は、その組織の人材不足である。

ソフトウェア開発に必要な知識を、単なる経験のみから得ることはほぼ不可能である。 実際に10年以上の経験を持ち、且つほとんど素人といってよいプログラマは珍しくない。 彼らの問題は、先人の知恵に学ばない(書籍やドキュメントをほとんど読まない)ことである。 このため、長い経験の中で行ったトライ&エラーから得られる断片知識だけが彼らのよりどころである。

エディタ、コンパイラといった基礎的なツールですらマニュアルを熟読せずに、 その使用方法を習得するこはできない。にもかかわらず、彼らはそれをしない。 その代償として、経験だけは長い素人が出来上がる。

ソフトウェア開発の問題の根本原因はこれである。 従って、この問題に着手せずに、他の問題は解決しない。

まとめ

ここまでの結論は、

したがって、ソフトウェア開発能力の改善を行いたいのであれば知識の習得(=学習)が不可避である。 「学習する工数等ない」との主張が聞こえてきそうだが、本当にその主張は正しいだろうか?

まずは、「7つの習慣」から拝借した下図を見てほしい(「ノコギリの刃を研ぐ」も参照)。

この図は、組織(や個人)が行う仕事を

の観点から4つに分類するためのものである。

どんな組織だろうが第1領域(緊急かつ重要、定常業務)の仕事から手を付ける。 ソフトウェア開発を主な業務とする組織の第1領域の仕事とは、 ソフトウェア開発そのものやそれにまつわるソフトウェアのトラブル対応等だろう。 未熟な組織においてもこの選択を間違えることはない。

問題はその次の選択である。第2領域(緊急だが、重要でない)の仕事に手を付けてしまうのである (ミーティング、電話、メール等の雑務で、本当に必要なものは全体の何パーセントだろうか?)。

これらに工数を投入してしまうと、第3領域(緊急でないが重要。学習はその代表)に割り当てる工数はなくなる。 逆に言えば第2領域よりも第3領域のプライオリティを高くすることのみが、第3領域に対処する方法である。

これは言うよりも簡単でないことは確かだが、 これをしない限り第3領域(学習)への時間割り当てができず、したがって組織の知識不足も解決しない。 知識不足が解決できないのであれば、 工数不足も解決しない (知識不足によって発生した工数不足に見える状態に、増員で対処しようとしてもほとんど効果はない)。

学習が必要であることに賛成でも、 組織が今抱えている問題の対策にはあまりにも遅く迂遠に感じる人も多いだろう。 そういう人々は、起死回生を図りプロセス改善を始めてしまうこともあるだろうが、 すでに述べた通り、このような拙速な対策が大きな効果を発揮することはまずない (例えばソースコードレビューはレビューアのスキルが低ければ効果がない)。 さらに悪いことに、この仕事により工数はますます逼迫し、その組織はさらに学習から遠ざかる。

以上の議論をまとめると、ソフトウェア開発能力不足の解決に王道はなく、 その唯一の方法は学習なのである。 組織改善における格言「着眼大局、着手小局」が教えるところに従い、 まずはこのドキュメントをチームで理解することろから始めるのが良いのではないかと思う。

本ドキュメントが、多くのプログラマとその組織が学習に向かう一助になることを願う。

Sample Code

vim

vim_config/README.md

          1 # このリポジトリの目的
          2 wsl-ubuntu vim/nvim、cygwin vim、windows gvim/nvim/nvim-qtの設定方法や設定ファイルを保存する。
          3 
          4 
          5 # このリポジトリのファイル
          6 ## README.md
          7 このファイル。
          8 
          9 ## ./nvimディレクトリ
         10 
         11 |ファイル名        |内容                              |
         12 |:-----------------|:---------------------------------|
         13 |nvim/init.vim     |nvimから最初に読み込まれる        |
         14 |nvim/org.vim      |オリジナルの設定                  |
         15 |nvim/package.vim  |deinを使用した外部パッケージの設定|
         16 |nvim/plugin/      |自作プラグイン                    |
         17 |nvim/autoload/    |自作プラグインのオートロード      |
         18 |nvim/rplugin/     |自作プラグイン                    |
         19 |nvim/ftplugin/    |filetype別プラグイン              |
         20 |nvim/cheatsheet.md|自分用ヘルプ。:Cheatで表示        |
         21 
         22 ## ./vimディレクトリ
         23 |ファイル名|内容                                             |
         24 |:---------|:------------------------------------------------|
         25 |vim/vimrc |~/.vimrcにコピーかシンボリックリンクを張って使用 |
         26 |vim/gimrc |~/.gvimrcにコピーかシンボリックリンクを張って使用|
         27 
         28 ## その他
         29 |ファイル名|内容                                                                                 |
         30 |:---------|:------------------------------------------------------------------------------------|
         31 |vim.sh    |bashrc等からsource                                                                   |
         32 |inputrc   |readline(gdb)を使用するアプリケーションのrcファイル。~/.inputrcにコピーして使用する。|
         33 
         34 
         35 # 環境変数
         36 ここで説明する環境変数は下記のvim系プログラムを初期設定をするためのものである。
         37 * ubuntu上のvim、nvim
         38 * cygwin上のvim
         39 * windows上のgvim、nvim、nvim-qt
         40 * cygwinターミナルから起動されたwindows上のgvim、nvim、nvim-qt
         41 
         42 下記の環境変数XDG_CONFIG_HOMEはすべて同一の実態(ディレクトリ)を指している。
         43 
         44 環境変数VIMやVIMRUNTIMEは設定しない。設定しない場合、
         45 * windows版gvimでは、
         46     * VIMは、'$HOME/.vim'がセットされる。
         47     * VIMRUNTIMEは、'$HOME/.vim/vimNN'がセットされる。
         48 
         49 * windows版nvim-qでは、Neovimにバンドルされているパッケージが入っているディレクトリが
         50   VIMやVIMRUNTIMEにセットされる。
         51 
         52 ## wsl-ubuntu
         53 * .bashrcに下記を追加する。
         54 
         55         export XDG_CONFIG_HOME=~/.config
         56         source $XDG_CONFIG_HOME/vim.sh
         57 
         58 ## cygwin
         59 * .bashrcに下記を追加する。
         60 
         61         # LINUX_HOMEはubuntuのホームディレクトリを指定
         62         export LINUX_HOME=/cygdrive/c/XXX
         63         export XDG_CONFIG_HOME=$LINUX_HOME/.config
         64         source $XDG_CONFIG_HOME/vim.sh
         65 
         66 ## windows
         67 * 環境変数に以下を追加する
         68 
         69         # XXXは上記と同じものを指定
         70         # YYYはcygwinのホームディレクトリを指定
         71         XDG_CONFIG_HOME C:\XXX\.config
         72         HOME C:\cygwin64\home\YYY
         73 
         74 
         75 # インストール
         76 1. 上記「環境変数」に従って環境変数、bashrcを設定
         77 2. このリポジトリを'$LINUX_HOME/.confg'にgit clone
         78 3. https://github.com/Shougo/dein.vim
         79    に従ってdeinを'$LINUX_HOME/.config/nvim_pkg/dein'にインストール
         80 4. 外部パッケージのインストールのために、wsl-ubuntu nvim立ち上げて:call deine#install()を実行
         81 5. cygwin vimの設定として、'$LINUX_HOME/.confg/vim/vimrc'をcygwinのホームディレクトリの
         82    .vimrcにコピーするかシンボリックリンクを張る。
         83 6. windows gvimの設定として、'$LINUX_HOME/.confg/vim/gvimrc'をcygwinのホームディレクトリの
         84    .gvimrcにコピーするかシンボリックリンクを張る。
         85 
         86 
         87 # 現在の問題点
         88 * パス形式の違いでwindows nvim/nvim-qtから動作しないプラグインがある。
         89 * cygwin vimはpython3対応でコンパイルされていないため、pythonが必要なプラグインは動作しない。
         90 * deinから設定したvim-fugitiveはcygwin vimでは動作しないため、
         91   https://github.com/tpope/vim-fugitive
         92   に書いてある設定が必要である。
         93 
         94 
         95 # スクリプト読み込みのデバッグ
         96 |コマンド                      |意味                                      |
         97 |:-----------------------------|:-----------------------------------------|
         98 |:echo $MYVIMRC                |最初に読み込まれる設定ファイルの表示      |
         99 |:scriptnames                  |現在読み込まれているスクリプトファイル一覧|
        100 |:let @a=execute('scriptnames')|scriptnamesの出力をレジスタaに取り込む    |
        101 |:checkhealt                   |足りないパッケージや設定等のチェック      |

vim_config/inputrc

          1 set editing-mode vi
          2 set completion-ignore-case on
          3 set show-all-if-unmodified on

vim_config/nvim/autoload/buffers.vim

          1 let s:buffers_buffer = 'Buffers'
          2 
          3 function! s:line(num, buff_name)
          4     if a:buff_name == s:buffers_buffer
          5         return printf("%3d [%s]\n", a:num, a:buff_name)
          6     else
          7         return printf("%3d %s\n", a:num, a:buff_name)
          8     endif
          9 endfunction
         10 
         11 function! s:load_buffers_list()
         12     let l:line = line('.')
         13     let l:col = col('.')
         14 
         15     let buffs = split(execute('buffers'), "\n")
         16 
         17     setlocal modifiable
         18 
         19     silent execute ':%delete'
         20     for b in buffs
         21         let new_b = substitute(b, '^ *\(\d\+\).*\"\(.*\)\".*', { m -> s:line(m[1], m[2])}, 'g')
         22         silent execute ':normal i' . new_b 
         23     endfor
         24     silent execute ':$delete'
         25 
         26     setlocal modifiable
         27     call cursor(l:line, l:col)
         28 endfunction
         29 
         30 function! buffers#close_buff(force)
         31     let word = expand("<cword>")
         32 
         33     if word =~ '\d\+'
         34         let to_delete = bufname(str2nr(word))
         35     elseif word =~ '.\+'
         36         let to_delete = word
         37     else
         38         echo 'no file'
         39         return
         40     endif
         41 
         42     if to_delete == s:buffers_buffer
         43         execute 'bdelete!' . word
         44     else
         45         let bwipeout = 'bwipeout' . (a:force == 0 ? ' ' : '! ')
         46         execute bwipeout . word
         47         call s:load_buffers_list()
         48     endif
         49 endfunction
         50 
         51 function! buffers#open_buff()
         52     let word = expand("<cword>")
         53 
         54     if word =~ '\d\+'
         55         execute 'buffer ' . word
         56     elseif word =~ '.\+'
         57         execute 'buffer ' . word
         58     else
         59         echo 'no file'
         60     endif
         61 endfunction
         62 
         63 function! s:key_map() abort
         64     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(buffers-delete) :call buffers#close_buff(0)<CR>
         65     nmap <buffer> d <Plug>(buffers-delete)
         66 
         67     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(buffers-delete-force) :call buffers#close_buff(1)<CR>
         68     nmap <buffer> D <Plug>(buffers-delete-force)
         69 
         70     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(buffers-open) :call buffers#open_buff()<CR>
         71     nmap <buffer> o <Plug>(buffers-open)
         72 
         73     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(buffers-reload) :call buffers#begin()<CR>
         74     nmap <buffer> r <Plug>(buffers-reload)
         75 endfunction
         76 
         77 function! buffers#begin()
         78     let winid = bufwinid(s:buffers_buffer)
         79     if winid isnot# -1
         80         call win_gotoid(winid)
         81     else
         82         execute 'new' s:buffers_buffer
         83         set buftype=nofile
         84         set noswapfile
         85         call s:key_map()
         86     endif
         87     call s:load_buffers_list()
         88 endfunction

vim_config/nvim/autoload/cd.vim

          1 function! s:is_term()
          2     let bn = bufname("%")
          3     if bn =~ 'term://'
          4         return 1
          5     else
          6         return 0
          7     endif
          8 endfunction
          9 
         10 function! cd#find_dir_candidate()
         11     for i in range(50)
         12         silent execute 'normal "uyy'
         13         let reg=@u
         14         if reg =~ 'ichiro@[^ ]\+ \~.*'
         15             return substitute(reg, 'ichiro@[^ ]\+', '', '') 
         16         endif
         17         silent execute 'normal k'
         18     endfor
         19 
         20     return ''
         21 endfunction
         22 
         23 
         24 function! cd#change_dir()
         25     if s:is_term() == 1
         26         let dir_candidate=cd#find_dir_candidate()
         27 
         28         if dir_candidate == ''
         29             echo "no dir candidate"
         30         else
         31             silent execute ':cd ' . dir_candidate
         32         endif
         33     else
         34         silent execute ':cd %:h'
         35     endif
         36 endfunction

vim_config/nvim/autoload/git_diff.vim

          1 let s:git_diff_buffer = 'GIT DIFF'
          2 let s:git_diff_buffer_cur =''
          3 let s:git_diff_buffer_new =''   " .newと表示されるが実際には改定前ファイル
          4 
          5 set patchexpr=git_diff#patch()
          6 
          7 function! git_diff#patch() abort
          8     silent execute '!patch -R  -o ' . v:fname_out .  ' ' . v:fname_in . ' < ' . v:fname_diff
          9 endfunction
         10 
         11 function! s:echo_err(msg) abort
         12   echohl ErrorMsg
         13   echomsg 'git_diff.vim:' a:msg
         14   echohl None
         15 endfunction
         16 
         17 " pattern : 0       just changed
         18 "         : 1       change filename
         19 function! s:modified_pattern(pattern) abort
         20     if  a:pattern == 0
         21         return '^[ADMU? ][DMU? ] \+'
         22     elseif  a:pattern == 1
         23         return 'R[M ] \+.* -> '
         24     endif
         25     call s:echo_err('modified_pattern wrong')
         26 endfunction
         27 
         28 function! s:get_target_name() abort
         29     let l:line=getline(".")
         30 
         31     if match(l:line, s:modified_pattern(0)) isnot# -1
         32         return substitute(l:line, s:modified_pattern(0), "", "")
         33     elseif match(l:line, s:modified_pattern(1)) isnot# -1
         34         return substitute(l:line, s:modified_pattern(1), "", "")
         35     else
         36         call s:echo_err(l:line . ' :this file is not modefied')
         37         return ''
         38     endif
         39 endfunction
         40 
         41 function! s:git_diff(patch_target, patch_file_name, from_head) abort
         42     if a:from_head == 0
         43         silent execute '!git diff ' .  a:patch_target .  ' > ' .  a:patch_file_name
         44     else
         45         silent execute '!git diff HEAD ' .  a:patch_target .  ' > ' .  a:patch_file_name
         46     endif
         47 endfunction
         48 
         49 function! s:each(line1, line2, func_ref) abort
         50     let l:col = col('.')
         51 
         52     for i in range(a:line1, a:line2)
         53         call cursor(i, l:col)
         54         call a:func_ref()
         55     endfor
         56 endfunction
         57 
         58 function! s:launch_file() abort
         59     let l:target=s:get_target_name()
         60 
         61     if g:os == 'linux'
         62         silent execute '!wslstart ' .  l:target
         63     else 
         64         if g:os == 'cygwin'
         65             silent execute '!wslstart ' .  l:target
         66         else
         67             echo 'not support launch'
         68         endif
         69     endif
         70 endfunction
         71 
         72 function! git_diff#launch_file(line1, line2) abort
         73     call s:each(a:line1, a:line2, function('s:launch_file'))
         74 endfunction
         75 
         76 
         77 function! s:git_add() abort
         78     let l:target=s:get_target_name()
         79 
         80     silent execute '!git add ' .  l:target
         81     call git_diff#make_list_load()
         82 endfunction
         83 
         84 function! git_diff#git_add(line1, line2) abort
         85     call s:each(a:line1, a:line2, function('s:git_add'))
         86 endfunction
         87 
         88 function! s:git_reset() abort
         89     let l:target=s:get_target_name()
         90 
         91     if len(l:target) == 0
         92         return
         93     endif
         94 
         95     silent execute '!git reset ' .  l:target
         96     call git_diff#make_list_load()
         97 endfunction
         98 
         99 function! git_diff#git_reset(line1, line2) abort
        100     call s:each(a:line1, a:line2, function('s:git_reset'))
        101 endfunction
        102 
        103 function! git_diff#make_list_load() abort
        104     setlocal modifiable
        105 
        106     let l:line = line('.')
        107     let l:col = col('.')
        108     silent execute ':%delete'
        109     silent execute 'r! git status -s'
        110     silent execute ':1delete'
        111     call cursor(l:line, l:col)
        112 
        113     setlocal nomodifiable
        114 endfunction
        115 
        116 function! s:key_map_end() abort
        117     delcommand GitAdd
        118     delcommand GitReset
        119 endfunction
        120 
        121 function! s:key_map_begin() abort
        122     command! -range GitAdd :call git_diff#git_add(<line1>, <line2>)
        123     map <silent> <buffer> a :GitAdd<CR>
        124 
        125     command! -range LauchFile :call git_diff#launch_file(<line1>, <line2>)
        126     map <silent> <buffer> L :LauchFile<CR>
        127 
        128     command! -range GitReset :call git_diff#git_reset(<line1>, <line2>)
        129     map <silent> <buffer> r :GitReset<CR>
        130 
        131     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(diff-open) :<C-u>call git_diff#show_diff(0, 0)<CR>
        132     nmap <buffer> d <Plug>(diff-open)
        133 
        134     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(diff-open-V) :<C-u>call git_diff#show_diff(1, 0)<CR>
        135     nmap <buffer> vd <Plug>(diff-open-V)
        136 
        137     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(diff-open-h) :<C-u>call git_diff#show_diff(0, 1)<CR>
        138     nmap <buffer> h <Plug>(diff-open-h)
        139 
        140     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(diff-open-Vh) :<C-u>call git_diff#show_diff(1, 1)<CR>
        141     nmap <buffer> vh <Plug>(diff-open-Vh)
        142 
        143     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(diff-list-close) :<C-u>call git_diff#end()<CR>
        144     nmap <buffer> <C-Q> <Plug>(diff-list-close)
        145 
        146     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(diff-reload) :<C-u>call git_diff#make_list_load()<CR>
        147     nmap <buffer> s <Plug>(diff-reload)
        148 
        149     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(git-commit) :!git commit -m 
        150     nmap <buffer> c <Plug>(git-commit)
        151 endfunction
        152 
        153 "vertial    : 0 normal split to show diff buffers
        154 "           : 1 virtial split to show diff buffers
        155 "from_head  : 0 git diff 
        156 "           : 1 git diff HEAD
        157 function! git_diff#show_diff(vertical, from_head) abort
        158     call git_diff#show_diff_off()
        159 
        160     let l:target=s:get_target_name()
        161 
        162     if getftime(l:target) == -1
        163         s:echo_err('file not exits')
        164     endif
        165 
        166     let s:git_diff_buffer_cur = l:target
        167     let s:git_diff_buffer_new = l:target . '.new'
        168 
        169     let l:temp_file = tempname()
        170     call s:git_diff(l:target, l:temp_file, a:from_head)
        171 
        172     execute ':sp'
        173     execute ':e ' . l:target
        174 
        175     if a:vertical == 0
        176         execute ':diffpatch ' . l:temp_file
        177 
        178         " 上バッファがオリジナル。下バッファが変更後ファイル
        179         execute "normal \<C-w>j"
        180     else
        181         execute ':vert diffpatch ' . l:temp_file
        182 
        183         " 左バッファがオリジナル。右バッファが変更後ファイル
        184         execute "normal \<C-w>l"
        185     endif
        186 
        187     call delete(l:temp_file)
        188 endfunction
        189 
        190 function! git_diff#show_diff_off()
        191     execute ':diffoff!'
        192 
        193     if s:git_diff_buffer_cur != ''
        194         let winid = bufwinid(s:git_diff_buffer_cur)
        195 
        196         if winid isnot# -1
        197             call win_gotoid(winid)
        198             :quit
        199         endif
        200 
        201         let s:git_diff_buffer_cur = ''
        202     endif
        203 
        204     if s:git_diff_buffer_new != ''
        205         let winid = bufwinid(s:git_diff_buffer_new)
        206 
        207         if winid isnot# -1
        208             call win_gotoid(winid)
        209             execute 'bwipeout! ' . s:git_diff_buffer_new
        210         endif
        211 
        212         let s:git_diff_buffer_new = ''
        213     endif
        214 endfunction
        215 
        216 function! git_diff#begin(resize) abort
        217     let winid = bufwinid(s:git_diff_buffer)
        218     if winid isnot# -1
        219         call win_gotoid(winid)
        220     else
        221         execute 'edit' s:git_diff_buffer
        222         set buftype=nofile
        223         set noswapfile
        224         setlocal nomodifiable
        225 
        226         call s:key_map_begin()
        227         call git_diff#make_list_load()
        228     endif
        229 
        230     if a:resize != 0
        231         execute ":only"
        232         let l:lines=&lines
        233         echo l:lines
        234         if l:lines < 50
        235             execute ":set lines=50"
        236         endif
        237         execute ":set columns=201"
        238     endif
        239 
        240 endfunction
        241 
        242 function! git_diff#end()
        243     call git_diff#show_diff_off()
        244     call s:key_map_end()
        245     bwipeout!
        246 endfunction
        247 

vim_config/nvim/autoload/git_session.vim

          1 function! s:get_git_top()
          2     let top = system('git rev-parse --show-toplevel')
          3     return substitute(top, "\n", '/', 'g')
          4 endfunction
          5 
          6 let s:git_session_top = s:get_git_top()
          7 let s:git_session_file = s:git_session_top . 'Session.vim'
          8 
          9 function! s:get_dirs() abort
         10     " ディレクトリのみを抽出
         11     let dir_filter = '|sed -e /^[^/]\\+$/d  -e  s\@/[^/]\\+$\@\@g | sort | uniq'
         12     let dirs_str = system("git ls-files --full-name " . s:git_session_top . dir_filter)
         13 
         14     let dirs_list = split(dirs_str, "\n")
         15 
         16     let full_dirs = map(dirs_list, 's:git_session_top . v:val')
         17 
         18     call add(full_dirs, s:git_session_top)
         19 
         20     return full_dirs
         21 endfunction
         22 
         23 function! git_session#set_path()
         24     let dirs = s:get_dirs()
         25     let &path ='./,/usr/include/c++/9/,' . join(dirs, ',') 
         26 
         27     let tag_dirs = map(dirs, 'v:val . "tags"')
         28     let &tags ='tags,./tags,' .  join(tag_dirs, ',')
         29 endfunction
         30 
         31 function! git_session#begin() abort
         32     let top = s:get_git_top()
         33 
         34     if top != s:git_session_top
         35         echo 'must be on the dir under ' . s:git_session_top
         36         return
         37     endif
         38 
         39     try
         40         execute 'source ' . s:git_session_file
         41     catch
         42         echo 'no session file'
         43     endtry
         44     call git_session#set_path()
         45 endfunction
         46 
         47 function! git_session#dir() abort
         48     echo s:git_session_top
         49 endfunction
         50 
         51 function! git_session#make() abort
         52     let top = s:get_git_top()
         53 
         54     if top != s:git_session_top
         55         echo 'must be on the dir under ' . s:git_session_top
         56         return
         57     endif
         58 
         59     execute 'mksession! ' . s:git_session_file
         60 endfunction
         61 
         62 function! git_session#new_session() abort
         63     let s:git_session_top = s:get_git_top()
         64     let s:git_session_file = s:git_session_top . 'Session.vim'
         65     call git_session#begin()
         66 endfunction

vim_config/nvim/autoload/grep.vim

          1 function s:grep(target, args_for_dir)
          2     let ignore_case=&ic
          3     if l:ignore_case == 0
          4         let ic_str = ''
          5     else
          6         let ic_str = '-i '
          7     end
          8     execute ':grep -R ' . l:ic_str . a:args_for_dir . ' "' . a:target . '"' 
          9 endfunction
         10 
         11 function grep#grep(...)
         12     let args_for_dir = s:make_args_for_dir(a:000)
         13     let l:target=@/
         14     call s:grep(l:target, args_for_dir)
         15 endfunction
         16 
         17 function grep#grepp(pattern, ...)
         18     let args_for_dir = s:make_args_for_dir(a:000)
         19     call s:grep(a:pattern, args_for_dir)
         20 endfunction
         21 
         22 function s:make_include(array)
         23     let beg='--include="*.'
         24     let end='"'
         25     let inc = map(a:array,  'l:beg . v:val . l:end')
         26     return join(inc)
         27 endfunction
         28 
         29 function! s:make_args_for_dir(args)
         30   let res = []
         31   call extend(res, a:args)
         32 
         33   if len(res) == 0
         34     return s:make_include(['[chCH]', 'cpp', 'sh', 'rb', 'py', 'vim', 'md', 'pu'])
         35   else
         36     if len(res) == 1 && res[0] == '-'
         37         return '--exclude-dir=".git"'
         38     else
         39         return s:make_include(res)
         40     endif
         41   end
         42 endfunction
         43 

vim_config/nvim/autoload/multi_hl.vim

          1 function! multi_hl#add_word(word, row)
          2 
          3     let curr = @/
          4     if a:row
          5         let new_word = a:word
          6     else
          7         let new_word = '\<' . a:word . '\>'
          8     endif
          9 
         10     if len(curr) != 0
         11         let search = curr . '\|' . new_word
         12     else
         13         let search = new_word
         14     endif
         15 
         16     let @/ = search
         17 
         18 endfunction
         19 
         20 function! multi_hl#clear()
         21     let @/ = ''
         22 endfunction

vim_config/nvim/autoload/next_file.vim

          1 " カレントファイルがxxx_yyy_zzz.cppだったとすると、
          2 "   del_num     :0      エクステンションを取ったxxx_yyy_zzzに*を付けてglob
          3 "               :5      xxx_yyy_z*をglob
          4 
          5 function! s:make_stem(curr_file, del_num) abort
          6     if a:del_num == 0
          7         let stem = expand('%:r')
          8     else
          9         let name_len = len(a:curr_file)
         10 
         11         if name_len > a:del_num
         12             let name_len -= a:del_num
         13         else
         14             let name_len = 1
         15         endif
         16 
         17         let stem = expand('%')[0 : name_len]
         18     endif
         19 
         20     " ファイル名がxxx_ut.(cpp|h)だった場合の調整
         21     return substitute(stem, "_ut$", "", "")
         22 endfunction
         23 
         24 function! s:get_next_file(curr_file, stem) abort
         25     let candidates = glob(a:stem . "*", 1, 1)
         26     let candi_num = len(candidates)
         27 
         28     if candi_num < 2
         29         return ''
         30     endif
         31 
         32     for i in range(candi_num)
         33         if a:curr_file == candidates[i]
         34             let i = i + 1
         35             if i < candi_num
         36                 return candidates[i]
         37             else
         38                 return candidates[0]
         39             endif
         40         endif
         41     endfor
         42 
         43     echomsg 'mybe bug found in next_file.vim:'
         44 endfunction
         45 
         46 let s:last_file = ''
         47 let s:last_del_num = 0
         48 
         49 function! next_file#change(del_num) abort
         50     let curr_file = expand('%')
         51 
         52     if s:last_file == curr_file && a:del_num == 0
         53         let del_num = s:last_del_num
         54     else
         55         let del_num = a:del_num
         56     endif
         57 
         58     let stem = s:make_stem(curr_file, del_num)
         59     echo stem . '*  :' . del_num
         60 
         61     let next_file = s:get_next_file(curr_file, stem)
         62     if next_file == ''
         63         let s:last_file = curr_file
         64         let s:last_del_num = del_num < 6 ? 6 : del_num + 1
         65     else
         66         let s:last_file = next_file
         67         let s:last_del_num = del_num
         68         execute 'edit' next_file
         69     endif
         70 endfunction
         71 

vim_config/nvim/autoload/term.vim

          1 let s:term_num = -1
          2 
          3 function! s:start_term() abort
          4 "    silent execute 'new'
          5     silent execute 'terminal'
          6 
          7     let s:term_num = bufnr()
          8 endfunction
          9 
         10 function! term#start() abort
         11     if s:term_num == -1
         12         call s:start_term()
         13     else
         14         try
         15             execute "buffer " . s:term_num
         16         catch
         17             " bufferが閉じられていた
         18             call s:start_term()
         19         endtry
         20     endif
         21 endfunction
         22 
         23 

vim_config/nvim/autoload/termdbg.vim

          1 ":Run [args]    [args] または以前の引数でプログラムを実行する
          2 ":Arguments     {args}  次の :Run のために引数を設定する
          3 ":Break         カーソル位置にブレークポイントを設定する。
          4 ":Break         {position}
          5 "               指定位置にブレークポイントを設定する。
          6 ":Clear         カーソル位置のブレークポイントを削除する
          7 ":Step          gdb の "step" コマンドを実行する
          8 ":Over          gdb の "next" コマンドを実行する
          9 "               (:Next だと Vim のコマンドとかぶるので)
         10 ":Finish        gdb の "finish" コマンドを実行する
         11 ":Continue      gdb の "continue" コマンドを実行する
         12 ":Stop          プログラムを中断する
         13 
         14 
         15 " todo
         16 "  b    をトグルにしたい
         17 "
         18 function! termdbg#key_map() abort
         19     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-run) :Run<CR>
         20     nmap <buffer> R <Plug>(gdb-run)
         21 
         22     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-break) :Break<CR>
         23     nmap <buffer> B <Plug>(gdb-break)
         24 
         25     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-continue) :Continue<CR>
         26     nmap <buffer> C <Plug>(gdb-continue)
         27 
         28     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-break-clear) :Clear<CR>
         29     nmap <buffer> D <Plug>(gdb-break-clear)
         30 
         31     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-finish) :Finish<CR>
         32     nmap <buffer> F <Plug>(gdb-finish)
         33 
         34     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-next) :Over<CR>
         35     nmap <buffer> N <Plug>(gdb-next)
         36 
         37     nnoremap <silent> <buffer> <Plug>(gdb-step) :Step<CR>
         38     nmap <buffer> S <Plug>(gdb-step)
         39 
         40 endfunction
         41 
         42 function! termdbg#start(program)
         43     silent execute ':packadd termdebug'
         44     silent execute ':Termdebug ' . a:program
         45 endfunction
         46 

vim_config/nvim/cheatsheet.md

          1 # My CheatSheet
          2 
          3 ## dein
          4 * https://github.com/Shougo/dein.vimからdeinとダウンロードしてセットアップ
          5     * curl ... > installer.sh   # インストーラのダウンロード
          6     * sh ./installer.sh ~/$XDG_CONFIG_HOME/nvim_pkg/dein    # deinのダウンロード
          7 * :call dein#install()          # 他のパッケージインストール
          8 
          9 ## terminal(windows app)操作
         10 * Alt-space -> x    最大化
         11 * Alt-space -> r    元のサイズに戻す
         12 * Alt-space -> n    最小化
         13 * Alt-space -> m    ウィンドウの移動
         14 * Alt-space -> s    ウィンドウのサイズ変更
         15 * window-m          全アプリの最小化
         16 * window-d          デスクトップの表示/全アプリの表示
         17 
         18 
         19 ## 正規表現
         20 [正規表現アトム](#pattern-atoms)
         21 
         22 \_.         改行含むすべての文字にマッチ
         23 
         24 ## NextFile 
         25 <M-q>           現在のファイル名を@qに代入
         26 <Num><C-q>      現在のファイル名を<Num>文字消して、"その文字列.\*"とマッチしたファイルを開く
         27                 Numが省略された場合<Num>は0として処理する
         28                 Numが0であった場合、"サフィックスを削除した文字列.\*"とマッチしたファイルを開く
         29 
         30 ## MultiHl
         31 :MultiHlAdd     現在のカーソルの下のwordを'\<word\>にして、@/に追加。
         32 :MultiHlAddR    現在のカーソルの下のwordをそのまま@/に追加。
         33 :MultiHlAddI    <WORD> WORDをそのまま@/に追加。
         34 :MultiHlClear   @/に""を入力。
         35 
         36 ## git diff
         37 :GitDiff        : gitリポジトリのdiffリスト
         38 :GitDiffResize  : 画面をリサイズして、gitリポジトリのdiffリスト
         39 :GitDiffOff     : \*.newをbwipeoutしてdiffモード終了
         40 {Visual}a       : git add from '< to '>
         41 c"              : git commit -m "までコマンドラインに入力
         42 d               : 水平分割diff表示
         43 vd              : 垂直分割diff表示
         44 h               : HEADとの水平分割diff表示
         45 vh              : HEADとの垂直分割diff表示
         46 <C-Q>           : git diffモード終了
         47 {Visual}L       : cygstart/wslstart from '< to '>
         48 {Visual}r       : git reset from '< to '>
         49 s               : diffリストの再ロード
         50 
         51 ## grep
         52 :Grep [suffix ...]          : grep -R --include=\*.suffix ... @/
         53 :GrepP pattern [suffix ...] : grep -R --include=\*.suffix ... pattern
         54 
         55 suffixを省略した場合、cpp c h rb py vimがsuffixになる。
         56 全体をgrepしたい場合は - を指定する。
         57 :Grep、:Grepp実行後はquick fixウインドが開いて結果を見ることができる。
         58 <C-g><C-n>で次へ移動、<C-g><C-p>で前に移動できる。
         59 
         60 :set ignorecaseが行われていた場合には、grepのオプションに-iが追加される。
         61 :Grepが行われた場合に実際に起動されるgrepコマンドは、:grepである。
         62 :grepが行われた場合に実際に起動されるgrepコマンドは、:set grepprg=...で設定されている。
         63 
         64 
         65 ## :terminalの使い方
         66 * <C-q>                                     vimモード
         67 * a, i等の通常のinsertモード移行で          terminalモード
         68 
         69 でソースコード全体からの補完ができるらしいので調べる。
         70 
         71 ## termdebug
         72 * nvim-gdbはやめて、こちらにした。
         73 
         74 :DbgStart <prog>    termdebugをロードして、gdb <prog>
         75 :DbgKey             下記mapをバッファローカルでmap
         76 
         77 オリジナルコマンド  map
         78 :Run [args]         R   [args] または以前の引数でプログラムを実行する
         79 :Arguments              {args}  次の :Run のために引数を設定する
         80 :Break              B   カーソル位置にブレークポイントを設定する。
         81 :Clear              D   カーソル位置のブレークポイントを削除する
         82 :Step               S   gdb の "step" コマンドを実行する
         83 :Over               N   gdb の "next" コマンドを実行する
         84 :Finish             F   gdb の "finish" コマンドを実行する
         85 :Continue           C   gdb の "continue" コマンドを実行する
         86 :Stop                   プログラムを中断する
         87 
         88 ## Session
         89 * gitプロジェクトの全ディレクトリを使用してpathやtabsをセットする。
         90 * mksessionでgitリポジトリのトップにSession.vimを作る。
         91 
         92 :ProjectBegin       Session.vimをsourceして、path、tabsをセットする。
         93 :ProjectDir         現在のセッションが使用しているgitリポジトリの
         94                     トップディレクトリを表示。
         95 :ProjectMake        Session.vimを作る。
         96 :ProjectNew         現在のセッションをカレントディレクトリを含む
         97                     gitリポジトリにする。
         98   
         99 ## PathSet
        100 * pathにカレントディレクトリ以下のディレクトリをセットする。
        101 
        102 :PathAdd            pathにディレクトリを追加する
        103 :PathClear          pathを./のみにする
        104 :PathSet            PathClearしてからPathAddする
        105 
        106 ## Buff
        107 軽いのが取り柄のバッファエクスプローラ。
        108 
        109 :Buff               :buffersの情報からBuffers問う名前のバッファを開く。
        110 o                   プロンプトの下のバッファを開く。
        111 d                   プロンプトの下のバッファをスワイプアウトする。
        112 D                   プロンプトの下のバッファを強制スワイプアウトする。
        113 
        114 ## チップス
        115 * 現在のrcフィルの確認
        116         :echo $MYGVIMRC
        117 
        118 * マップの定義位置
        119         :verbose map <C-Q>
        120 
        121 * vimコマンドの出力の取り込み
        122         :let @a=execute('scriptnames')  "scriptnamesの出力をレジスタaに入れる。
        123 
        124 * globalで行に移動し、そこでコマンド実行
        125         :global/^</normal AHEHE     "先頭が"<"である行の末尾に"HEHE"を追加する。
        126 
        127 * コマンドの繰り返し数の注意
        128         :map <C-A>  3w
        129   とした場合、 
        130         2<C-A>
        131   は
        132         23w
        133   となるため、このコマンドは23ワードの移動になるが、それはおそらく意図したものではない。
        134   <Num><C-A>を<C-A>の<Num>回の繰り返しにしたい場合、式レジスタを使い以下のように書く。
        135         :map <C-A>  @='3w'<CR>
        136 
        137 ### todo
        138 * 言語サポート
        139     * gdbのpでSTLコンテナのきれいな表示がしたい。
        140     * rtag.vim
        141     * Tagbar: a class outline viewer for Vim
        142 
        143 * そのうち調べる
        144     * コメントフォーマット。'formatoptions' の設定
        145     * 'showcmd'、'backspace'
        146     * 関数escape(@", '\\/')
        147     * packadd! matchit  「と」のマッチング
        148     * colorscheme evening
        149     * :mksession、:wviminfo、:rviminfo
        150     * terminal 端末通信 call/drop

vim_config/nvim/ftplugin/c.vim

          1 setlocal tabstop=4
          2 setlocal shiftwidth=4
          3 setlocal expandtab
          4 setlocal tags=tags,./tags
          5 
          6 " paren and etc matching
          7 set matchpairs+=<:>
          8 hi MatchParen ctermbg=0 cterm=bold,reverse
          9 

vim_config/nvim/ftplugin/python.vim

          1 setlocal tabstop=4
          2 setlocal shiftwidth=4
          3 setlocal expandtab
          4 setlocal tags=tags,./tags
          5 

vim_config/nvim/ftplugin/ruby.vim

          1 setlocal tabstop=2
          2 setlocal shiftwidth=2
          3 setlocal expandtab
          4 setlocal tags=tags,./tags

vim_config/nvim/init.vim

          1 if exists('s:loaded')
          2     finish
          3 else
          4     let s:loaded = 1
          5 endif
          6 
          7 function! s:get_os()
          8     if isdirectory('c:/')
          9         if isdirectory('/usr')
         10             return 'cygwin'
         11         else
         12             return 'windows'
         13         endif
         14     endif
         15 
         16     let old=&ignorecase
         17     let uname=system('uname')
         18 
         19     let &ignorecase = 1
         20 
         21     if uname =~ ".*linux.*"
         22         let ret = 'linux'
         23     else
         24         let ret = 'unknown'
         25     endif
         26 
         27     let &ignorecase = old
         28     return ret
         29 endfunction
         30 
         31 let g:os=s:get_os()
         32 
         33 let s:dir=expand('<sfile>:p:h')
         34 
         35 execute 'source ' . s:dir . '/' . 'org.vim'
         36 execute 'source ' . s:dir . '/' . 'package.vim'
         37 
         38 if !has('nvim')
         39     execute 'set runtimepath+=' . s:dir
         40     if g:os == 'linux'
         41         set runtimepath+=/usr/share/vim/
         42     elseif g:os == 'cygwin'
         43         set runtimepath+=/usr/share/vim/vim82
         44     elseif g:os == 'windows'
         45 
         46     endif
         47 endif

vim_config/nvim/org.vim

          1 " misc
          2 set hidden
          3 set ruler
          4 set hlsearch
          5 set nowrapscan
          6 set laststatus=2
          7 set noequalalways
          8 set backspace=indent,eol,start
          9 set incsearch
         10 set background=dark
         11 set statusline=%<%f[%n]%h%m%r%=%l,%c%V\ %P
         12 set fileformats=unix,dos,mac
         13 set printoptions=number:y
         14 
         15 set virtualedit=block
         16 
         17 " Makefileやbashスクリプトでgfを効かせるため
         18 set isfname-=:
         19 set isfname-=,
         20 set isfname-=\=
         21 
         22 " encoding
         23 "set encoding=utf-8
         24 set fileencoding=utf-8
         25 set fileencodings=iso-2022-jp,euc-jp,sjis,utf-8
         26 
         27 "
         28 syntax on
         29 
         30 " to use quick fix
         31 "make setting
         32 set makeprg=/usr/bin/make
         33 set errorformat+=In\ file\ included\ from\ %f:%l:%m     "gcc
         34 set errorformat+=%f:%l:%m                               "gcc
         35 set errorformat+=%f\|%l\|%m                             "grep from vim
         36 set errorformat+=%t\\,%f\\,%l\\,%c\\,%m
         37 
         38 "grep setting
         39 set grepprg=/usr/bin/grep\ -nH
         40 
         41 let &makeef = expand('<sfile>:p:h') . '/' . getpid()
         42 
         43 " default text
         44 set tabstop=4
         45 set shiftwidth=4
         46 set expandtab
         47 set nowrap
         48 set cindent
         49 "set iskeyword+=-

vim_config/nvim/package.vim

          1 if &compatible
          2     set nocompatible " Be iMproved
          3 endif
          4 
          5 " このファイルのあるディレクトリ/../nvim_pkg/deinにパッケージを入れる。
          6 let g:pkg_dir=simplify(expand('<sfile>:p:h') . '/../nvim_pkg/dein')
          7 
          8 " Required:
          9 " Add the dein installation directory into runtimepath
         10 execute 'set runtimepath+=' . g:pkg_dir . '/repos/github.com/Shougo/dein.vim'
         11 execute 'set runtimepath+=' . g:pkg_dir . '/repos/github.com/'
         12 
         13 " Required:
         14 call dein#begin(g:pkg_dir)
         15 
         16 " Let dein manage dein
         17 " Required:
         18 call dein#add(g:pkg_dir . '/repos/github.com/Shougo/dein.vim')
         19 if !has('nvim')
         20     call dein#add('roxma/nvim-yarp')
         21     call dein#add('roxma/vim-hug-neovim-rpc')
         22 endif
         23 
         24 call dein#add('Shougo/deoplete.nvim')
         25 call dein#add('zchee/deoplete-clang')
         26 
         27 " Add or remove your plugins here like this:
         28 call dein#add('Shougo/neosnippet.vim')
         29 call dein#add('Shougo/neosnippet-snippets')
         30 call dein#add('Shougo/neoinclude.vim')
         31 
         32 call dein#add('tpope/vim-fugitive')
         33 call dein#add('reireias/vim-cheatsheet')
         34 call dein#add('mattn/vim-maketable')
         35 call dein#add('aklt/plantuml-syntax')
         36 
         37 " Required:
         38 call dein#end()
         39 
         40 " Required:
         41 filetype plugin indent on
         42 syntax enable
         43 
         44 let g:cheatsheet#cheat_file = expand('<sfile>:p:h') . '/cheatsheet.md'
         45 let g:table_mode_corner = '|'
         46 
         47 if g:os == 'windows'
         48     let g:python_host_prog  = 'C:\cygwin64\bin\python2.7.exe'
         49     let g:python3_host_prog  = 'C:\cygwin64\bin\python3.8.exe'
         50 elseif g:os == 'cygwin'
         51 
         52 elseif g:os == 'linux'
         53     let g:ruby_host_prog = '/usr/local/bin/neovim-ruby-host'
         54     let g:python_host_prog  = '/usr/bin/python2'
         55     let g:python3_host_prog  = '/usr/bin/python3'
         56 else
         57     echo 'unkown os'
         58 endif
         59 
         60 " deoplete
         61 if has('python3')
         62     let g:deoplete#enable_at_startup = 1
         63     let g:deoplete#sources#clang#libclang_path = '/usr/lib/llvm-10/lib/libclang.so'
         64     let g:deoplete#sources#clang#clang_header = '/usr/lib/llvm-10/lib/clang/'
         65     let g:deoplete#sources#clang#clang_complete_database = './'
         66     "g:deoplete#sources#clang#flags See this section    No
         67     "g:deoplete#sources#clang#sort_algo ''  No
         68     "g:deoplete#sources#clang#include_default_arguments False   No
         69     "g:deoplete#sources#clang#filter_availability_kinds
         70 endif

vim_config/nvim/plugin/buffers.vim

          1 command! -nargs=0 Buff     call buffers#begin()

vim_config/nvim/plugin/cd.vim

          1 command! -nargs=0 Cd    call cd#change_dir()
          2 nmap <C-c>       :Cd<CR>
          3 
          4 nmap <S-c>       :cd ..<CR>:pwd<CR>
          5 

vim_config/nvim/plugin/clear_undo.vim

          1 function! ClearUndo()
          2     let old_undolevels = &undolevels
          3     set undolevels=-1
          4     exe "normal a \<BS>\<Esc>"
          5     let &undolevels = old_undolevels
          6     unlet old_undolevels
          7 endfunction
          8 
          9 command! -nargs=0 ClearUndo call ClearUndo()
         10 
         11 

vim_config/nvim/plugin/ctags_ext.vim

          1 function! CTags(...)
          2     if a:0 == 0
          3         let l:dir="."
          4     else
          5         let l:dir=a:1
          6     end
          7     silent execute '!ctags -R --extras=+q ' . l:dir
          8 endfunction
          9 
         10 command!  -nargs=? -complete=dir Ctags call CTags(<f-args>)
         11 

vim_config/nvim/plugin/dev_env.vim

          1 function! dev_env#setup()
          2     execute ":only"
          3     execute ":set lines=62"
          4     execute ":set columns=201"
          5     
          6     "少し待たないとカラムが増える前にvsplitしてしまう
          7     execute ":sleep 300m"   
          8     execute ":vsplit"
          9     execute ":split"
         10     execute "normal \<C-W>l"
         11     execute ":split"
         12     execute "normal \<C-W>j"
         13     execute ":Term"
         14     execute "normal \<C-W>h"
         15     execute "normal \<C-W>k"
         16     set textwidth=100
         17 endfunction
         18 
         19 command! -nargs=0 DevEnv     call dev_env#setup()

vim_config/nvim/plugin/git_diff.vim

          1 command! -nargs=0 GitDiff       call git_diff#begin(0)
          2 command! -nargs=0 GitDiffResize call git_diff#begin(1)
          3 command! -nargs=0 GitDiffOff    call git_diff#show_diff_off()

vim_config/nvim/plugin/git_session.vim

          1 command! -nargs=0 SessionBegin  call git_session#begin()
          2 command! -nargs=0 SessionDir    call git_session#dir()
          3 command! -nargs=0 SessionMake   call git_session#make()
          4 command! -nargs=0 SessionNew    call git_session#new_session()
          5 command! -nargs=0 SessionPath   call git_session#set_path()

vim_config/nvim/plugin/grep.vim

          1 command!  -nargs=? Grep call grep#grep(<f-args>)
          2 command!  -nargs=+ Grepp call grep#grepp(<f-args>)
          3 

vim_config/nvim/plugin/keybind.vim

          1 "Set up key binding
          2 
          3 " window control
          4 nmap ;   4<C-W>+
          5 nmap -   4<C-W>-
          6 noremap L   <C-L>
          7 nmap >   <C-W>>
          8 nmap <   <C-W><
          9 nmap <C-k>   <C-W>k
         10 nmap <C-j>   <C-W>j
         11 nmap <C-h>   <C-W>h
         12 nmap <C-l>   <C-W>l
         13 nmap <C-p>   <C-o>
         14 
         15 "next/prev file
         16 nmap <C-n>   :bn<CR>
         17 nmap <C-p>   :bp<CR>
         18 
         19 "next/prev quick fix
         20 nmap <C-g><C-n>  :cn<CR>
         21 nmap <C-g><C-p>  :cp<CR>
         22 

vim_config/nvim/plugin/multi_hl.vim

          1 command! -nargs=0 MultiHlAdd    call multi_hl#add_word(expand('<cword>'), 0)
          2 command! -nargs=0 MultiHlAddR   call multi_hl#add_word(expand('<cword>'), 1)
          3 command! -nargs=1 MultiHlAddI      call multi_hl#add_word(<q-args>, 1)
          4 command! -nargs=0 MultiHlClear     call multi_hl#clear()

vim_config/nvim/plugin/next_file.vim

          1 if g:os == 'linux'
          2     nmap <M-q>      :let @q=expand('%')<CR>
          3 else
          4     nmap <S-C-q>    :let @q=expand('%')<CR>
          5 endif
          6 
          7 command!  -count NF call next_file#change(<count>)
          8 nmap <C-q>      :NF<CR>

vim_config/nvim/plugin/path_set.vim

          1 function! path_set#add()
          2     let temp = system('find $(pwd) -type d')
          3     let dirs = split(temp, "\n")
          4     let paths = &path . ',' . join(dirs, ',')
          5     let &path = paths
          6 endfunction
          7 
          8 function! path_set#clear()
          9     let &path = './'
         10 endfunction
         11 
         12 function! path_set#set()
         13     call path_set#clear()
         14     call path_set#add()
         15 endfunction
         16 
         17 command! -nargs=0 PathAdd  call path_set#add()
         18 command! -nargs=0 PathClear  call path_set#clear()
         19 command! -nargs=0 PathSet  call path_set#set()

vim_config/nvim/plugin/scratch.vim

          1 let s:scratch_buffer = 'Scratch'
          2 
          3 function! scratch#begin()
          4     let winid = bufwinid(s:scratch_buffer)
          5     if winid isnot# -1
          6         call win_gotoid(winid)
          7     else
          8         execute 'new' s:scratch_buffer
          9         set buftype=nofile
         10         set noswapfile
         11     endif
         12 endfunction
         13 
         14 command! -nargs=0 Scratch     call scratch#begin()
         15 

vim_config/nvim/plugin/term.vim

          1 if g:os == 'windows'
          2     set shell=C:/cygwin64/bin/bash.exe
          3 else
          4     set shell=/bin/bash
          5 endif
          6 
          7 set shellpipe=\|&\ tee
          8 set shellcmdflag=-c
          9 set shellslash
         10 
         11 tnoremap <silent> <C-q> <C-\><C-n>
         12 command! -nargs=0 Term     call term#start()
         13 

vim_config/nvim/plugin/termdbg.vim

          1 command! -nargs=1 -complete=file DbgStart   call termdbg#start(<q-args>)
          2 command! -nargs=0 DbgKey     call termdbg#key_map()
          3 
          4 

vim_config/nvim/rplugin/python3/next_file.py

          1 import pynvim
          2 import glob
          3 
          4 @pynvim.plugin
          5 class NextFile(object):
          6 
          7     def __init__(self, nvim):
          8         self.nvim = nvim
          9         self.delete_len = 0
         10         self.latest_file = None
         11         self.file_list = []
         12 
         13     @pynvim.command('NextFile', nargs='?', range='', sync = True)
         14     def next_file(self, args, range):
         15         if len(args) != 0 :
         16             try :
         17                 self.delete_len = int(args[0])
         18             except:
         19                 self.delete_len = 0
         20 
         21         curr_filename = self.nvim.eval("expand('%')")
         22         next_filename = self._next_filename(curr_filename)
         23         self.nvim.command(f"edit {next_filename}")
         24 
         25     def _next_filename(self, filename) :
         26 
         27         if self.delete_len == 0 :
         28             body, *_ = filename.split(".")
         29         else:
         30             body = filename[0 : len(filename) - self.delete_len]
         31             self.latest_file = None
         32 
         33         if self.latest_file != filename :
         34             self.file_list = glob.glob(body + "*")
         35 
         36         for i, f in enumerate(self.file_list) :
         37             if filename == f :
         38                 self.latest_file = self.file_list[(i + 1) % len(self.file_list)]
         39 
         40                 return self.latest_file
         41 

vim_config/vim.sh

          1 function os_name()
          2 {
          3     local -r uname=$(uname)
          4 
          5     if [[ $uname =~ .*[lL]inux.* ]]; then
          6         echo linux
          7     elif [[ $uname =~ .*CYGWIN_NT.* ]]; then
          8         echo cygwin
          9     else
         10         echo unknown
         11     fi
         12 }
         13 
         14 readonly OS=$(os_name)
         15 
         16 if [[ $OS == 'cygwin' ]]; then
         17     function gvim()
         18     {
         19         (
         20             gvim_prog=$(which gvim)
         21             export XDG_CONFIG_HOME=$(cygpath -w $XDG_CONFIG_HOME)
         22             $gvim_prog "$@"
         23         )
         24     }
         25 
         26     function _nvim_qt()
         27     {
         28         (
         29             export XDG_CONFIG_HOME=$(cygpath -w $XDG_CONFIG_HOME)
         30             nvim-qt "$@"
         31         )
         32     }
         33 
         34     function _nvim()
         35     {
         36         (
         37             export XDG_CONFIG_HOME=$(cygpath -w $XDG_CONFIG_HOME)
         38             nvim "$@"
         39         )
         40     }
         41     alias nvim-qt=_nvim_qt
         42     alias nvim=_nvim
         43 
         44 elif [[ $OS == 'linux' ]]; then
         45     function tnvim()
         46     {
         47         /mnt/c/Users/ichiro.inoue/AppData/Local/wsltty/bin/mintty.exe \
         48             --WSL= \
         49             --configdir='C:\Users\ichiro.inoue\AppData\Roaming\wsltty' \
         50             nvim "$@"
         51     }
         52 
         53     alias tn=tnvim
         54 fi

vim_config/vim/gvimrc

          1 "このファイルは$HOME/.gvimrcにコピーするかシンボリックリンクを張る。
          2 
          3 set guifont=MS_ゴシック:h10:cSHIFTJIS
          4 
          5 let g:bg_coler='black'
          6 highlight Normal guibg='black' guifg='white'
          7 

vim_config/vim/vimrc

          1 "このファイルは$HOME/.vimrcにコピーするかシンボリックリンクを張る。
          2 
          3 source $XDG_CONFIG_HOME/nvim/init.vim

C++

example/deps/app/src/deps_opts.cpp

          1 #include <getopt.h>
          2 
          3 #include <cassert>
          4 #include <sstream>
          5 
          6 #include "deps_opts.h"
          7 #include "lib/nstd.h"
          8 
          9 namespace App {
         10 std::string DepsOpts::Help()
         11 {
         12     auto ss = std::ostringstream{};
         13 
         14     ss << "deps CMD [option] [DIRS] ..." << std::endl;
         15     ss << "   CMD:" << std::endl;
         16     ss << "         p    : generate package to OUT." << std::endl;
         17     ss << "         s    : generate srcs with incs to OUT." << std::endl;
         18     ss << "         p2s  : generate package and srcs pairs to OUT." << std::endl;
         19     ss << "         p2p  : generate packages' dependencies to OUT." << std::endl;
         20     ss << "         a    : generate structure to OUT from p2p output." << std::endl;
         21     ss << "         a2pu : generate plant uml package to OUT from p2p output." << std::endl;
         22     ss << "         cyc  : exit !0 if found cyclic dependencies." << std::endl;
         23     ss << "         help : show help message." << std::endl;
         24     ss << "         h    : same as help(-h, --help)." << std::endl;
         25     ss << std::endl;
         26     ss << "   options:" << std::endl;
         27     ss << "         --in IN     : use IN to execute CMD." << std::endl;
         28     ss << "         --out OUT   : CMD outputs to OUT." << std::endl;
         29     ss << "         --recursive : search dir as package from DIRS or IN contents." << std::endl;
         30     ss << "         -R          : same as --recursive." << std::endl;
         31     ss << "         --src_as_pkg: every src is as a package." << std::endl;
         32     ss << "         -s          : same as --src_as_pkg." << std::endl;
         33     ss << "         --log LOG   : logging to LOG(if LOG is \"-\", using STDOUT)." << std::endl;
         34     ss << "         --exclude PTN : exclude dirs which matchs to PTN(JS regex)." << std::endl;
         35     ss << "         -e PTN      : same as --exclude." << std::endl;
         36     ss << std::endl;
         37     ss << "   DIRS: use DIRS to execute CMD." << std::endl;
         38     ss << "   IN  : 1st line in this file must be" << std::endl;
         39     ss << "             #dir2srcs for pkg-srcs file" << std::endl;
         40     ss << "         or" << std::endl;
         41     ss << "             #dir for pkg file." << std::endl << std::endl;
         42 
         43     return ss.str();
         44 }
         45 
         46 DepsOpts::Cmd DepsOpts::parse_command(int argc, char* const* argv)
         47 {
         48     if (argc < 2) {
         49         return Cmd::NotCmd;
         50     }
         51 
         52     auto command = std::string{argv[1]};
         53 
         54     if (command == "p") {
         55         return Cmd::GenPkg;
         56     }
         57     if (command == "s") {
         58         return Cmd::GenSrc;
         59     }
         60     else if (command == "p2s") {
         61         return Cmd::GenPkg2Srcs;
         62     }
         63     else if (command == "p2p") {
         64         return Cmd::GenPkg2Pkg;
         65     }
         66     else if (command == "a") {
         67         return Cmd::GenArch;
         68     }
         69     else if (command == "a2pu") {
         70         return Cmd::GenPlantUml;
         71     }
         72     else if (command == "cyc") {
         73         return Cmd::GenCyclic;
         74     }
         75     else if (command == "h" || command == "help" || command == "-h" || command == "--help") {
         76         return Cmd::Help;
         77     }
         78 
         79     return Cmd::NotCmd;
         80 }
         81 
         82 bool DepsOpts::parse_opt(int opt_char, DepsOpts::DepsOptsData& data) noexcept
         83 {
         84     switch (opt_char) {
         85     case 'i':
         86         data.in = optarg;
         87         return true;
         88     case 'e':
         89         data.exclude = optarg;
         90         return true;
         91     case 'o':
         92         data.out = optarg;
         93         return true;
         94     case 'l':
         95         data.log = optarg;
         96         return true;
         97     case 'R':
         98         data.recursive = true;
         99         return true;
        100     case 's':
        101         data.src_as_pkg = true;
        102         return true;
        103     case 'h':
        104         data.cmd = Cmd::Help;
        105         return false;
        106     default:
        107         return false;
        108     }
        109 }
        110 
        111 DepsOpts::DepsOptsData DepsOpts::parse(int argc, char* const* argv)
        112 {
        113     DepsOptsData data{parse_command(argc, argv)};
        114 
        115     if (data.cmd == Cmd::NotCmd || data.cmd == Cmd::Help) {
        116         return data;
        117     }
        118 
        119     optind = 2;
        120     static struct option const opts[]
        121         = {{"in", required_argument, 0, 'i'},      {"out", required_argument, 0, 'o'},
        122            {"exclude", required_argument, 0, 'e'}, {"recursive", no_argument, 0, 'R'},
        123            {"src_as_pkg", no_argument, 0, 's'},    {"log", required_argument, 0, 'l'},
        124            {"help", no_argument, 0, 'h'},          {0, 0, 0, 0}};
        125 
        126     for (;;) {
        127         auto opt_char = getopt_long(argc, argv, "i:o:e:l:Rsh", opts, nullptr);
        128 
        129         if (!parse_opt(opt_char, data)) {
        130             break;
        131         }
        132     }
        133 
        134     if (optind < argc) {
        135         while (optind < argc) {
        136             data.dirs.emplace_back(FileUtils::NormalizeLexically(argv[optind++]));
        137         }
        138     }
        139 
        140     return data;
        141 }
        142 
        143 namespace {
        144 std::string to_string_cmd(DepsOpts::Cmd cmd)
        145 {
        146     switch (cmd) {
        147     case DepsOpts::Cmd::GenPkg:
        148         return "GenPkg";
        149     case DepsOpts::Cmd::GenSrc:
        150         return "GenSrc";
        151     case DepsOpts::Cmd::GenPkg2Srcs:
        152         return "GenPkg2Srcs";
        153     case DepsOpts::Cmd::GenPkg2Pkg:
        154         return "GenPkg2Pkg";
        155     case DepsOpts::Cmd::GenPlantUml:
        156         return "GenPlantUml";
        157     case DepsOpts::Cmd::GenCyclic:
        158         return "GenCyclic";
        159     case DepsOpts::Cmd::Help:
        160         return "Help";
        161     case DepsOpts::Cmd::NotCmd:
        162     default:
        163         return "NotCmd";
        164     }
        165 }
        166 }  // namespace
        167 
        168 std::string ToStringDepsOpts(DepsOpts const& deps_opts, std::string_view indent)
        169 {
        170     auto       ss      = std::ostringstream{};
        171     char const cmd[]   = "cmd       : ";
        172     auto const indent2 = std::string(Nstd::ArrayLength(cmd) - 1, ' ') + std::string{indent};
        173 
        174     ss << std::boolalpha;
        175 
        176     ss << indent << cmd << to_string_cmd(deps_opts.GetCmd()) << std::endl;
        177     ss << indent << "in        : " << deps_opts.In() << std::endl;
        178     ss << indent << "out       : " << deps_opts.Out() << std::endl;
        179     ss << indent << "recursive : " << deps_opts.IsRecursive() << std::endl;
        180     ss << indent << "src_as_pkg: " << deps_opts.IsSrcPkg() << std::endl;
        181     ss << indent << "log       : " << deps_opts.Log() << std::endl;
        182     ss << indent << "dirs      : " << FileUtils::ToStringPaths(deps_opts.Dirs(), "\n" + indent2)
        183        << std::endl;
        184     ss << indent << "exclude   : " << deps_opts.Exclude() << std::endl;
        185     ss << indent << "parsed    : " << !!deps_opts;
        186 
        187     return ss.str();
        188 }
        189 }  // namespace App

example/deps/app/src/deps_opts.h

          1 #pragma once
          2 #include <ostream>
          3 
          4 #include "file_utils/path_utils.h"
          5 
          6 namespace App {
          7 class DepsOpts {
          8 public:
          9     enum class Cmd {
         10         GenPkg,
         11         GenSrc,
         12         GenPkg2Srcs,
         13         GenPkg2Pkg,
         14         GenArch,
         15         GenPlantUml,
         16         GenCyclic,
         17         Help,
         18         NotCmd,
         19     };
         20     explicit DepsOpts(int argc, char* const* argv) : data_{parse(argc, argv)} {}
         21     static std::string Help();
         22 
         23     Cmd                       GetCmd() const noexcept { return data_.cmd; }
         24     std::string const&        In() const noexcept { return data_.in; }
         25     std::string const&        Out() const noexcept { return data_.out; }
         26     std::string const&        Log() const noexcept { return data_.log; }
         27     bool                      IsRecursive() const noexcept { return data_.recursive; }
         28     bool                      IsSrcPkg() const noexcept { return data_.src_as_pkg; }
         29     FileUtils::Paths_t const& Dirs() const noexcept { return data_.dirs; }
         30     std::string const&        Exclude() const noexcept { return data_.exclude; }
         31 
         32     explicit operator bool() const { return data_.cmd != Cmd::NotCmd; }
         33 
         34 private:
         35     struct DepsOptsData {
         36         DepsOptsData(Cmd cmd_arg) noexcept : cmd{cmd_arg} {}
         37         Cmd                cmd;
         38         std::string        in{};
         39         std::string        out{};
         40         std::string        log{};
         41         FileUtils::Paths_t dirs{};
         42         std::string        exclude{};
         43         bool               recursive{false};
         44         bool               src_as_pkg{false};
         45     };
         46     DepsOptsData const data_;
         47 
         48     static DepsOptsData parse(int argc, char* const* argv);
         49     static Cmd          parse_command(int argc, char* const* argv);
         50     static bool         parse_opt(int opt_char, DepsOptsData& data) noexcept;
         51 };
         52 
         53 // @@@ sample begin 0:0
         54 
         55 std::string          ToStringDepsOpts(DepsOpts const& deps_opts, std::string_view indent = "");
         56 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, DepsOpts const& opts)
         57 {
         58     return os << ToStringDepsOpts(opts);
         59 }
         60 // @@@ sample end
         61 }  // namespace App

example/deps/app/src/main.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <fstream>
          3 #include <iostream>
          4 #include <stdexcept>
          5 
          6 #include "dependency/deps_scenario.h"
          7 #include "deps_opts.h"
          8 #include "logging/logger.h"
          9 
         10 namespace {
         11 
         12 class OStreamSelector {
         13 public:
         14     explicit OStreamSelector(std::string const& out) : os_{select(out, out_f_)} {}
         15     std::ostream& OStream() noexcept { return os_; }
         16 
         17 private:
         18     std::ofstream out_f_{};
         19     std::ostream& os_;
         20 
         21     static std::ostream& select(std::string const& out, std::ofstream& out_f)
         22     {
         23         if (out.size()) {
         24             out_f.open(out);
         25             assert(out_f);
         26             return out_f;
         27         }
         28         else {
         29             return std::cout;
         30         }
         31     }
         32 };
         33 
         34 class ScenarioGeneratorNop : public Dependency::ScenarioGenerator {
         35 public:
         36     explicit ScenarioGeneratorNop(bool no_error) : no_error_{no_error} {}
         37     virtual bool Output(std::ostream&) const noexcept override { return no_error_; }
         38 
         39 private:
         40     bool no_error_;
         41 };
         42 
         43 // @@@ sample begin 0:0
         44 std::unique_ptr<Dependency::ScenarioGenerator> gen_scenario(App::DepsOpts const& opt)
         45 try {
         46     using namespace Dependency;
         47 
         48     switch (opt.GetCmd()) {
         49     case App::DepsOpts::Cmd::GenPkg:
         50         LOGGER("start GenPkg");
         51         return std::make_unique<PkgGenerator>(opt.In(), opt.IsRecursive(), opt.Dirs(),
         52                                               opt.Exclude());
         53     case App::DepsOpts::Cmd::GenSrc:
         54         LOGGER("start GenPkg");
         55         return std::make_unique<SrcsGenerator>(opt.In(), opt.IsRecursive(), opt.Dirs(),
         56                                                opt.Exclude());
         57     // @@@ ignore begin
         58     case App::DepsOpts::Cmd::GenPkg2Srcs:
         59         LOGGER("start GenPkg2Srcs");
         60         return std::make_unique<Pkg2SrcsGenerator>(opt.In(), opt.IsRecursive(), opt.IsSrcPkg(),
         61                                                    opt.Dirs(), opt.Exclude());
         62     case App::DepsOpts::Cmd::GenPkg2Pkg:
         63         LOGGER("start GenPkg2Pkg");
         64         return std::make_unique<Pkg2PkgGenerator>(opt.In(), opt.IsRecursive(), opt.IsSrcPkg(),
         65                                                   opt.Dirs(), opt.Exclude());
         66     case App::DepsOpts::Cmd::GenArch:
         67         LOGGER("start GenArch");
         68         return std::make_unique<ArchGenerator>(opt.In());
         69     case App::DepsOpts::Cmd::GenPlantUml:
         70         LOGGER("start GenPlantUml");
         71         return std::make_unique<Arch2PUmlGenerator>(opt.In());
         72     case App::DepsOpts::Cmd::GenCyclic:
         73         LOGGER("start GenCyclic");
         74         return std::make_unique<CyclicGenerator>(opt.In());
         75     case App::DepsOpts::Cmd::Help:
         76         std::cout << App::DepsOpts::Help() << std::endl;
         77         return std::make_unique<ScenarioGeneratorNop>(true);
         78     case App::DepsOpts::Cmd::NotCmd:
         79     default:
         80         std::cout << App::DepsOpts::Help() << std::endl;
         81         return std::make_unique<ScenarioGeneratorNop>(false);
         82         // @@@ ignore end
         83     }
         84 }
         85 catch (std::runtime_error const& e) {
         86     LOGGER("error occured:", e.what());
         87 
         88     std::cerr << e.what() << std::endl;
         89 
         90     return std::make_unique<ScenarioGeneratorNop>(false);
         91 }
         92 
         93 // @@@ ignore begin
         94 catch (...) {
         95     LOGGER("unknown error occured:");
         96 
         97     return std::make_unique<ScenarioGeneratorNop>(false);
         98 }
         99 }  // namespace
        100 // @@@ ignore end
        101 
        102 int main(int argc, char* argv[])
        103 {
        104     App::DepsOpts d_opt{argc, argv};
        105 
        106     LOGGER_INIT(d_opt.Log() == "-" ? nullptr : d_opt.Log().c_str());
        107 
        108     LOGGER("Options", '\n', d_opt);
        109 
        110     auto out_sel   = OStreamSelector{d_opt.Out()};
        111     auto exit_code = gen_scenario(d_opt)->Output(out_sel.OStream()) ? 0 : -1;
        112 
        113     LOGGER("Exit", exit_code);
        114 
        115     return exit_code;
        116 }
        117 // @@@ sample end

example/deps/app/ut/deps_opts_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "deps_opts.h"
          4 #include "lib/nstd.h"
          5 
          6 namespace App {
          7 namespace {
          8 
          9 TEST(deps_args, DepsOpts)
         10 {
         11     using FileUtils::Paths_t;
         12 
         13     char prog[]          = "prog";
         14     char cmd_p[]         = "p";
         15     char cmd_s[]         = "s";
         16     char cmd_p2s[]       = "p2s";
         17     char cmd_p2p[]       = "p2p";
         18     char cmd_a[]         = "a";
         19     char cmd_a2pu[]      = "a2pu";
         20     char cmd_help[]      = "help";
         21     char cmd_dd_help[]   = "--help";
         22     char cmd_h[]         = "h";
         23     char cmd_d_h[]       = "-h";
         24     char cmd_unknown[]   = "unknown";
         25     char opt_in[]        = "--in";
         26     char opt_in_arg[]    = "in-file";
         27     char opt_out[]       = "--out";
         28     char opt_out_arg[]   = "out-file";
         29     char opt_e[]         = "-e";
         30     char opt_exclude[]   = "--exclude";
         31     char opt_e_arg[]     = "pattern.*";
         32     char opt_recursive[] = "--recursive";
         33     char opt_src_pkg[]   = "--src_as_pkg";
         34     char opt_log[]       = "--log";
         35     char opt_log_arg[]   = "log-file";
         36     char opt_log_dash[]  = "-";
         37     char opt_R[]         = "-R";
         38     char opt_s[]         = "-s";
         39     char opt_help[]      = "--help";
         40     char opt_h[]         = "-h";
         41     char dir0[]          = "dir0";
         42     char dir1[]          = "dir1";
         43     char dir2[]          = "dir2";
         44 
         45     {
         46         char* const argv[]{prog, cmd_p, opt_recursive, opt_out, opt_out_arg, dir0, dir1, dir2};
         47 
         48         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
         49 
         50         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg, d_opt.GetCmd());
         51         ASSERT_EQ("", d_opt.In());
         52         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
         53         ASSERT_TRUE(d_opt.IsRecursive());
         54         ASSERT_EQ((Paths_t{dir0, dir1, dir2}), d_opt.Dirs());
         55         ASSERT_TRUE(d_opt);
         56     }
         57     {
         58         char* const argv[] = {prog, cmd_p, opt_src_pkg, opt_out, opt_out_arg, dir0, dir1, dir2};
         59 
         60         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
         61 
         62         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg, d_opt.GetCmd());
         63         ASSERT_EQ("", d_opt.In());
         64         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
         65         ASSERT_FALSE(d_opt.IsRecursive());
         66         ASSERT_TRUE(d_opt.IsSrcPkg());
         67         ASSERT_EQ((Paths_t{dir0, dir1, dir2}), d_opt.Dirs());
         68         ASSERT_TRUE(d_opt);
         69     }
         70     {
         71         char* const argv[]{prog, cmd_s, opt_src_pkg, opt_out, opt_out_arg, dir0, dir1, dir2};
         72 
         73         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
         74 
         75         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenSrc, d_opt.GetCmd());
         76         ASSERT_EQ("", d_opt.In());
         77         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
         78         ASSERT_FALSE(d_opt.IsRecursive());
         79         ASSERT_TRUE(d_opt.IsSrcPkg());
         80         ASSERT_EQ((Paths_t{dir0, dir1, dir2}), d_opt.Dirs());
         81         ASSERT_TRUE(d_opt);
         82     }
         83     {
         84         char* const argv[]{prog, cmd_p2s, opt_R, opt_in, opt_in_arg, opt_exclude, opt_e_arg, dir0};
         85 
         86         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
         87 
         88         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg2Srcs, d_opt.GetCmd());
         89         ASSERT_EQ(opt_in_arg, d_opt.In());
         90         ASSERT_EQ("", d_opt.Out());
         91         ASSERT_TRUE(d_opt.IsRecursive());
         92         ASSERT_EQ((Paths_t{dir0}), d_opt.Dirs());
         93         ASSERT_TRUE(d_opt);
         94         ASSERT_EQ(opt_e_arg, d_opt.Exclude());
         95     }
         96     {
         97         char* const argv[]{prog, cmd_p2s, opt_s, opt_in, opt_in_arg, opt_e, opt_e_arg, dir0};
         98 
         99         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        100 
        101         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg2Srcs, d_opt.GetCmd());
        102         ASSERT_EQ(opt_in_arg, d_opt.In());
        103         ASSERT_EQ("", d_opt.Out());
        104         ASSERT_FALSE(d_opt.IsRecursive());
        105         ASSERT_TRUE(d_opt.IsSrcPkg());
        106         ASSERT_EQ((Paths_t{dir0}), d_opt.Dirs());
        107         ASSERT_TRUE(d_opt);
        108         ASSERT_EQ(opt_e_arg, d_opt.Exclude());
        109     }
        110     {
        111         char* const argv[]{prog, cmd_p2p, opt_in, opt_in_arg, opt_out, opt_out_arg};
        112 
        113         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        114 
        115         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg2Pkg, d_opt.GetCmd());
        116         ASSERT_EQ(opt_in_arg, d_opt.In());
        117         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
        118         ASSERT_FALSE(d_opt.IsRecursive());
        119         ASSERT_EQ(Paths_t{}, d_opt.Dirs());
        120         ASSERT_TRUE(d_opt);
        121     }
        122     {
        123         char* const argv[]{prog, cmd_a, opt_in, opt_in_arg, opt_out, opt_out_arg};
        124 
        125         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        126 
        127         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenArch, d_opt.GetCmd());
        128         ASSERT_EQ(opt_in_arg, d_opt.In());
        129         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
        130         ASSERT_FALSE(d_opt.IsRecursive());
        131         ASSERT_EQ(Paths_t{}, d_opt.Dirs());
        132         ASSERT_TRUE(d_opt);
        133     }
        134     {
        135         char* const argv[]{prog, cmd_a2pu, opt_in, opt_in_arg, opt_out, opt_out_arg};
        136 
        137         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        138 
        139         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPlantUml, d_opt.GetCmd());
        140         ASSERT_EQ(opt_in_arg, d_opt.In());
        141         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
        142         ASSERT_FALSE(d_opt.IsRecursive());
        143         ASSERT_EQ(Paths_t{}, d_opt.Dirs());
        144         ASSERT_TRUE(d_opt);
        145     }
        146     {
        147         char* const argv[]{prog, cmd_help};
        148 
        149         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        150 
        151         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::Help, d_opt.GetCmd());
        152         ASSERT_TRUE(d_opt);
        153     }
        154     {
        155         char* const argv[]{prog, cmd_dd_help};
        156 
        157         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        158 
        159         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::Help, d_opt.GetCmd());
        160         ASSERT_TRUE(d_opt);
        161     }
        162     {
        163         char* const argv[]{prog, cmd_h};
        164 
        165         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        166 
        167         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::Help, d_opt.GetCmd());
        168         ASSERT_TRUE(d_opt);
        169     }
        170     {
        171         char* const argv[]{prog, cmd_d_h};
        172 
        173         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        174 
        175         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::Help, d_opt.GetCmd());
        176         ASSERT_TRUE(d_opt);
        177     }
        178     {
        179         char* const argv[]{prog, cmd_unknown};
        180 
        181         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        182 
        183         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::NotCmd, d_opt.GetCmd());
        184         ASSERT_FALSE(d_opt);
        185     }
        186     {
        187         char* const argv[]{prog, cmd_p, opt_recursive, opt_out, opt_out_arg, opt_help};
        188 
        189         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        190 
        191         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::Help, d_opt.GetCmd());
        192         ASSERT_TRUE(d_opt);
        193     }
        194     {
        195         char* const argv[]{prog, cmd_p, opt_recursive, opt_out, opt_out_arg, opt_h};
        196 
        197         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        198 
        199         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::Help, d_opt.GetCmd());
        200         ASSERT_TRUE(d_opt);
        201     }
        202     {
        203         char* const argv[]{prog, cmd_p, opt_log, opt_log_arg, opt_out, opt_out_arg};
        204 
        205         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        206 
        207         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg, d_opt.GetCmd());
        208         ASSERT_EQ(opt_log_arg, d_opt.Log());
        209         ASSERT_EQ(opt_out_arg, d_opt.Out());
        210         ASSERT_TRUE(d_opt);
        211     }
        212     {
        213         char* const argv[]{prog, cmd_p, opt_log, opt_log_dash, opt_in, opt_in_arg};
        214 
        215         auto d_opt = DepsOpts{Nstd::ArrayLength(argv), argv};
        216 
        217         ASSERT_EQ(DepsOpts::Cmd::GenPkg, d_opt.GetCmd());
        218         ASSERT_EQ(opt_log_dash, d_opt.Log());
        219         ASSERT_EQ(opt_in_arg, d_opt.In());
        220         ASSERT_TRUE(d_opt);
        221     }
        222 }
        223 }  // namespace
        224 }  // namespace App

example/deps/dependency/h/dependency/deps_scenario.h

          1 #pragma once
          2 #include <memory>
          3 #include <string>
          4 #include <vector>
          5 
          6 #include "file_utils/path_utils.h"
          7 
          8 namespace Dependency {
          9 
         10 class ScenarioGenerator {
         11 public:
         12     virtual bool Output(std::ostream& os) const = 0;
         13     virtual ~ScenarioGenerator() {}
         14 };
         15 
         16 class PkgGenerator : public ScenarioGenerator {
         17 public:
         18     explicit PkgGenerator(std::string const& in, bool recursive, FileUtils::Paths_t const& dirs_opt,
         19                           std::string const& pattern);
         20     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         21 
         22 private:
         23     FileUtils::Paths_t const dirs_;
         24 };
         25 
         26 class SrcsGenerator : public ScenarioGenerator {
         27 public:
         28     explicit SrcsGenerator(std::string const& in, bool recursive,
         29                            FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern);
         30     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         31 
         32 private:
         33     FileUtils::Paths_t const dirs_;
         34 };
         35 
         36 class Pkg2SrcsGenerator : public ScenarioGenerator {
         37 public:
         38     explicit Pkg2SrcsGenerator(std::string const& in, bool recursive, bool src_as_pkg,
         39                                FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern);
         40     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         41 
         42 private:
         43     FileUtils::Dirs2Srcs_t const dirs2srcs_;
         44 };
         45 
         46 class Pkg2PkgGenerator : public ScenarioGenerator {
         47 public:
         48     explicit Pkg2PkgGenerator(std::string const& in, bool recursive, bool src_as_pkg,
         49                               FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern);
         50     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         51 
         52 private:
         53     FileUtils::Dirs2Srcs_t const dirs2srcs_;
         54 };
         55 
         56 class ArchGenerator : public ScenarioGenerator {
         57 public:
         58     explicit ArchGenerator(std::string const& in);
         59     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         60     ~ArchGenerator();
         61 
         62 protected:
         63     struct Impl;
         64     std::unique_ptr<Impl> impl_;
         65 };
         66 
         67 class Arch2PUmlGenerator : public ArchGenerator {
         68 public:
         69     explicit Arch2PUmlGenerator(std::string const& in);
         70     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         71 };
         72 
         73 class CyclicGenerator : public ArchGenerator {
         74 public:
         75     explicit CyclicGenerator(std::string const& in);
         76     virtual bool Output(std::ostream& os) const override;
         77 
         78 private:
         79     bool has_cyclic_dep_;
         80 };
         81 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/arch_pkg.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <sstream>
          3 
          4 #include "arch_pkg.h"
          5 #include "lib/nstd.h"
          6 
          7 namespace Dependency {
          8 
          9 void ArchPkg::set_cyclic(ArchPkg const* pkg, bool is_cyclic) const
         10 {
         11     assert(std::count(depend_on_.cbegin(), depend_on_.cend(), pkg) != 0);
         12     assert(cyclic_.count(pkg) == 0 || cyclic_[pkg] == is_cyclic);
         13 
         14     cyclic_.insert(std::make_pair(pkg, is_cyclic));
         15 }
         16 
         17 bool ArchPkg::is_cyclic(ArchPkgs_t& history, size_t depth) const
         18 {
         19     if (++depth > max_depth_) {
         20         std::cerr << "too deep dependency:" << name_ << std::endl;
         21         return true;
         22     }
         23 
         24     auto const it = find(history.cbegin(), history.cend(), this);
         25 
         26     if (it != history.cend()) {  // 循環検出
         27         for (auto it2 = it; it2 != history.cend(); ++it2) {
         28             auto next = (std::next(it2) == history.cend()) ? it : std::next(it2);
         29             (*it2)->set_cyclic(*next, true);
         30         }
         31 
         32         // it == history.cbegin()ならば、一番上からの循環 A->B->C->...->A
         33         // it != history.cbegin()ならば、上記以外の循環 A->B->C->...->B
         34         return it == history.cbegin();
         35     }
         36 
         37     auto gs = Nstd::ScopedGuard{[&history] { history.pop_back(); }};
         38     history.push_back(this);
         39 
         40     for (ArchPkg const* pkg : depend_on_) {
         41         if (pkg->is_cyclic(history, depth)) {
         42             return true;
         43         }
         44     }
         45 
         46     return false;
         47 }
         48 
         49 bool ArchPkg::IsCyclic(ArchPkg const& pkg) const
         50 {
         51     if (std::count(depend_on_.cbegin(), depend_on_.cend(), &pkg) == 0) {
         52         return false;
         53     }
         54 
         55     if (cyclic_.count(&pkg) == 0) {
         56         ArchPkgs_t history{this};
         57         set_cyclic(&pkg, pkg.is_cyclic(history, 0));
         58     }
         59 
         60     assert(cyclic_.count(&pkg) != 0);
         61 
         62     return cyclic_[&pkg];
         63 }
         64 
         65 bool ArchPkg::IsCyclic() const noexcept
         66 {
         67     for (ArchPkg const* pkg : DependOn()) {
         68         if (IsCyclic(*pkg)) {
         69             return true;
         70         }
         71     }
         72 
         73     return false;
         74 }
         75 
         76 ArchPkg::Map_Path_ArchPkg_t ArchPkg::build_depend_on(DepRelation const&   dep_rel,
         77                                                      Map_Path_ArchPkg_t&& pkg_all)
         78 {
         79     auto const a_path = FileUtils::Path_t(dep_rel.PackageA);
         80     if (pkg_all.count(a_path) == 0) {
         81         pkg_all.insert(std::make_pair(a_path, std::make_unique<ArchPkg>(a_path)));
         82     }
         83 
         84     auto const b_path = FileUtils::Path_t(dep_rel.PackageB);
         85     if (pkg_all.count(b_path) == 0) {
         86         pkg_all.insert(std::make_pair(b_path, std::make_unique<ArchPkg>(b_path)));
         87     }
         88 
         89     ArchPkgPtr_t& a_ptr = pkg_all.at(a_path);
         90     ArchPkgPtr_t& b_ptr = pkg_all.at(b_path);
         91 
         92     if (dep_rel.CountAtoB != 0) {
         93         a_ptr->depend_on_.push_back(b_ptr.get());
         94     }
         95     if (dep_rel.CountBtoA != 0) {
         96         b_ptr->depend_on_.push_back(a_ptr.get());
         97     }
         98 
         99     return std::move(pkg_all);
        100 }
        101 
        102 Arch_t ArchPkg::build_children(Map_Path_ArchPkg_t&& pkg_all)
        103 {
        104     auto cache = std::map<FileUtils::Path_t, ArchPkg*>{};
        105     auto top   = Arch_t{};
        106 
        107     for (auto& [path, pkg] : pkg_all) {  // C++17 style
        108 
        109         auto const parent_name = path.parent_path();
        110         cache.insert(std::make_pair(path, pkg.get()));
        111 
        112         if (pkg_all.count(parent_name) == 0) {
        113             top.emplace_back(std::move(pkg));
        114         }
        115         else {
        116             ArchPkg* parent = cache.count(parent_name) != 0 ? cache.at(parent_name)
        117                                                             : pkg_all.at(parent_name).get();
        118 
        119             pkg->parent_ = parent;
        120             parent->children_.emplace_back(std::move(pkg));
        121         }
        122     }
        123 
        124     return top;
        125 }
        126 
        127 Arch_t ArchPkg::GenArch(DepRels_t const& dep_rels)
        128 {
        129     auto pkg_all = std::map<FileUtils::Path_t, ArchPkgPtr_t>{};
        130 
        131     for (auto const& d : dep_rels) {
        132         pkg_all = build_depend_on(d, std::move(pkg_all));
        133     }
        134 
        135     auto top = Arch_t{build_children(std::move(pkg_all))};
        136 
        137     return top;
        138 }
        139 
        140 std::string ArchPkg::make_full_name(ArchPkg const& pkg)
        141 {
        142     if (pkg.Parent()) {
        143         return make_full_name(*pkg.Parent()) + "/" + pkg.Name();
        144     }
        145     else {
        146         return pkg.Name();
        147     }
        148 }
        149 
        150 ArchPkg const* FindArchPkgByName(Arch_t const& arch, std::string_view pkg_name) noexcept
        151 {
        152     for (ArchPkgPtr_t const& pkg_ptr : arch) {
        153         if (pkg_ptr->Name() == pkg_name) {
        154             return pkg_ptr.get();
        155         }
        156         else {
        157             ArchPkg const* pkg_found = FindArchPkgByName(pkg_ptr->Children(), pkg_name);
        158             if (pkg_found) {
        159                 return pkg_found;
        160             }
        161         }
        162     }
        163     return nullptr;
        164 }
        165 
        166 ArchPkg const* FindArchPkgByFullName(Arch_t const& arch, std::string_view full_name) noexcept
        167 {
        168     for (ArchPkgPtr_t const& pkg_ptr : arch) {
        169         if (pkg_ptr->FullName() == full_name) {
        170             return pkg_ptr.get();
        171         }
        172         else {
        173             ArchPkg const* pkg_found = FindArchPkgByFullName(pkg_ptr->Children(), full_name);
        174             if (pkg_found) {
        175                 return pkg_found;
        176             }
        177         }
        178     }
        179     return nullptr;
        180 }
        181 
        182 namespace {
        183 
        184 std::string unique_str_name(std::string const& full_name)
        185 {
        186     auto ret = Nstd::Replace(full_name, "/", "___");
        187     return Nstd::Replace(ret, "-", "_");
        188 }
        189 
        190 std::string_view cyclic_str(ArchPkg const& pkg) noexcept
        191 {
        192     if (pkg.IsCyclic()) {
        193         return ":CYCLIC";
        194     }
        195 
        196     return "";
        197 }
        198 
        199 std::string to_string_depend_on(ArchPkg const& pkg_top, uint32_t indent)
        200 {
        201     auto ss         = std::ostringstream{};
        202     auto indent_str = std::string(indent, ' ');
        203 
        204     auto first = true;
        205 
        206     for (ArchPkg const* pkg : pkg_top.DependOn()) {
        207         if (!std::exchange(first, false)) {
        208             ss << std::endl;
        209         }
        210 
        211         ss << indent_str << pkg->Name();
        212 
        213         if (pkg_top.IsCyclic(*pkg)) {
        214             ss << " : CYCLIC";
        215         }
        216         else {
        217             ss << " : STRAIGHT";
        218         }
        219     }
        220 
        221     return ss.str();
        222 }
        223 
        224 std::string to_string_pkg(ArchPkg const& arch_pkg, uint32_t indent)
        225 {
        226     static auto const top        = std::string{"TOP"};
        227     auto              ss         = std::ostringstream{};
        228     auto              indent_str = std::string(indent, ' ');
        229 
        230     auto package   = "package  :";
        231     auto full      = "fullname :";
        232     auto parent    = "parent   :";
        233     auto children  = "children : {";
        234     auto depend_on = "depend_on: {";
        235 
        236     constexpr auto next_indent = 4U;
        237 
        238     ss << indent_str << package << arch_pkg.Name() << cyclic_str(arch_pkg) << std::endl;
        239     ss << indent_str << full << arch_pkg.FullName() << std::endl;
        240     ss << indent_str << parent << (arch_pkg.Parent() ? arch_pkg.Parent()->Name() : top)
        241        << std::endl;
        242 
        243     ss << indent_str << depend_on;
        244     if (arch_pkg.DependOn().size() != 0) {
        245         ss << std::endl;
        246         ss << to_string_depend_on(arch_pkg, indent + next_indent) << std::endl;
        247         ss << indent_str << "}" << std::endl;
        248     }
        249     else {
        250         ss << " }" << std::endl;
        251     }
        252 
        253     ss << indent_str << children;
        254     if (arch_pkg.Children().size() != 0) {
        255         ss << std::endl;
        256         ss << ToStringArch(arch_pkg.Children(), indent + next_indent) << std::endl;
        257         ss << indent_str << "}";
        258     }
        259     else {
        260         ss << " }";
        261     }
        262 
        263     return ss.str();
        264 }
        265 }  // namespace
        266 
        267 std::string ToStringArch(Arch_t const& arch, uint32_t indent)
        268 {
        269     auto ss    = std::ostringstream{};
        270     auto first = true;
        271 
        272     for (auto const& pkg : arch) {
        273         if (!std::exchange(first, false)) {
        274             ss << std::endl << std::endl;
        275         }
        276         ss << to_string_pkg(*pkg, indent);
        277     }
        278 
        279     return ss.str();
        280 }
        281 
        282 namespace {
        283 std::string to_pu_rectangle(ArchPkg const& pkg, uint32_t indent)
        284 {
        285     auto ss         = std::ostringstream{};
        286     auto indent_str = std::string(indent, ' ');
        287 
        288     ss << indent_str << "rectangle \"" << pkg.Name() << "\" as " << unique_str_name(pkg.FullName());
        289 
        290     if (pkg.Children().size() != 0) {
        291         ss << " {" << std::endl;
        292         ss << ToPlantUML_Rectangle(pkg.Children(), indent + 4);
        293         ss << std::endl << indent_str << "}";
        294     }
        295 
        296     return ss.str();
        297 }
        298 }  // namespace
        299 
        300 std::string ToPlantUML_Rectangle(Arch_t const& arch, uint32_t indent)
        301 {
        302     auto ss    = std::ostringstream{};
        303     auto first = true;
        304 
        305     for (auto const& pkg : arch) {
        306         if (!std::exchange(first, false)) {
        307             ss << std::endl;
        308         }
        309         ss << to_pu_rectangle(*pkg, indent);
        310     }
        311 
        312     return ss.str();
        313 }
        314 
        315 namespace {
        316 
        317 // 単方向依存のみ
        318 bool dep_is_cyclic(std::string const& from, std::string const& to, Arch_t const& arch) noexcept
        319 {
        320     ArchPkg const* pkg_from = FindArchPkgByFullName(arch, from);
        321     ArchPkg const* pkg_to   = FindArchPkgByFullName(arch, to);
        322 
        323     assert(pkg_from != nullptr);
        324     assert(pkg_to != nullptr);
        325 
        326     return pkg_from->IsCyclic(*pkg_to);
        327 }
        328 
        329 std::string_view pu_link_color(std::string const& from, std::string const& to,
        330                                Arch_t const& arch) noexcept
        331 {
        332     return dep_is_cyclic(from, to, arch) ? "orange" : "green";
        333 }
        334 
        335 std::string to_pu_rectangle(Arch_t const& arch, DepRelation const& dep_rel)
        336 {
        337     auto ss = std::ostringstream{};
        338     auto a  = unique_str_name(dep_rel.PackageA);
        339     auto b  = unique_str_name(dep_rel.PackageB);
        340 
        341     if (dep_rel.CountAtoB != 0) {
        342         ss << a << " \"" << dep_rel.CountAtoB << "\" ";
        343         if (dep_rel.CountBtoA != 0) {
        344             ss << "<-[#red]-> \"" << dep_rel.CountBtoA << "\" " << b;
        345         }
        346         else {
        347             ss << "-[#" << pu_link_color(dep_rel.PackageA, dep_rel.PackageB, arch) << "]-> " << b;
        348         }
        349     }
        350     else if (dep_rel.CountBtoA != 0) {
        351         ss << b << " \"" << dep_rel.CountBtoA << "\" -[#"
        352            << pu_link_color(dep_rel.PackageB, dep_rel.PackageA, arch) << "]-> " << a;
        353     }
        354 
        355     return ss.str();
        356 }
        357 }  // namespace
        358 
        359 bool HasCyclicDeps(Arch_t const& arch, DepRels_t const& dep_rels) noexcept
        360 {
        361     for (auto const& dep : dep_rels) {
        362         if (dep.CountAtoB != 0) {
        363             if (dep.CountBtoA != 0) {
        364                 return true;
        365             }
        366             else {
        367                 if (dep_is_cyclic(dep.PackageA, dep.PackageB, arch)) {
        368                     return true;
        369                 }
        370             }
        371         }
        372         else if (dep.CountBtoA != 0) {
        373             if (dep_is_cyclic(dep.PackageB, dep.PackageA, arch)) {
        374                 return true;
        375             }
        376         }
        377     }
        378 
        379     return false;
        380 }
        381 
        382 std::string ToPlantUML_Rectangle(Arch_t const& arch, DepRels_t const& dep_rels)
        383 {
        384     auto ss = std::ostringstream{};
        385 
        386     auto first = true;
        387     for (auto const& d : dep_rels) {
        388         auto rel_s = to_pu_rectangle(arch, d);
        389 
        390         if (rel_s.size() != 0) {
        391             if (!std::exchange(first, false)) {
        392                 ss << std::endl;
        393             }
        394             ss << rel_s;
        395         }
        396     }
        397     return ss.str();
        398 }
        399 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/arch_pkg.h

          1 #pragma once
          2 
          3 #include "cpp_deps.h"
          4 #include "file_utils/path_utils.h"
          5 
          6 namespace Dependency {
          7 
          8 class ArchPkg;
          9 using ArchPkgPtr_t = std::unique_ptr<ArchPkg>;
         10 using Arch_t       = std::list<ArchPkgPtr_t>;
         11 
         12 using ArchPkgs_t = std::vector<ArchPkg const*>;
         13 
         14 class ArchPkg {
         15 public:
         16     explicit ArchPkg(FileUtils::Path_t const& full_name)
         17         : name_{full_name.filename()}, full_name_{full_name}
         18     {
         19     }
         20 
         21     std::string const& Name() const noexcept { return name_; }
         22     ArchPkg const*     Parent() const noexcept { return parent_; }
         23     Arch_t const&      Children() const noexcept { return children_; }
         24     ArchPkgs_t const&  DependOn() const noexcept { return depend_on_; }
         25     bool               IsCyclic() const noexcept;
         26     bool               IsCyclic(ArchPkg const& pkg) const;
         27     std::string const& FullName() const noexcept { return full_name_; }
         28 
         29     ArchPkg(ArchPkg const&)            = delete;
         30     ArchPkg& operator=(ArchPkg const&) = delete;
         31 
         32     static Arch_t GenArch(DepRels_t const& deps);
         33 
         34 private:
         35     std::string const                      name_;
         36     std::string const                      full_name_{};
         37     ArchPkg const*                         parent_{};
         38     Arch_t                                 children_{};
         39     ArchPkgs_t                             depend_on_{};
         40     mutable std::map<ArchPkg const*, bool> cyclic_{};
         41     static constexpr size_t                max_depth_{12};
         42 
         43     void set_cyclic(ArchPkg const* pkg, bool is_cyclic) const;
         44 
         45     using Map_Path_ArchPkg_t = std::map<FileUtils::Path_t, ArchPkgPtr_t>;
         46     static Map_Path_ArchPkg_t build_depend_on(DepRelation const&   dep_rel,
         47                                               Map_Path_ArchPkg_t&& pkg_all);
         48     static Arch_t             build_children(Map_Path_ArchPkg_t&& pkg_all);
         49     static std::string        make_full_name(ArchPkg const& pkg);
         50     bool                      is_cyclic(ArchPkgs_t& history, size_t depth) const;
         51 };
         52 
         53 std::string          ToStringArch(Arch_t const& arch, uint32_t indent = 0);
         54 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Arch_t const& arch)
         55 {
         56     return os << ToStringArch(arch);
         57 }
         58 
         59 std::string ToPlantUML_Rectangle(Arch_t const& arch, uint32_t indent = 0);
         60 std::string ToPlantUML_Rectangle(Arch_t const& arch, DepRels_t const& dep_rels);
         61 bool        HasCyclicDeps(Arch_t const& arch, DepRels_t const& dep_rels) noexcept;
         62 
         63 ArchPkg const* FindArchPkgByName(Arch_t const& arch, std::string_view pkg_name) noexcept;
         64 ArchPkg const* FindArchPkgByFullName(Arch_t const& arch, std::string_view full_name) noexcept;
         65 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/cpp_deps.cpp

          1 #include <algorithm>
          2 #include <cassert>
          3 #include <memory>
          4 #include <sstream>
          5 #include <tuple>
          6 
          7 #include "cpp_deps.h"
          8 #include "cpp_dir.h"
          9 #include "cpp_src.h"
         10 
         11 namespace Dependency {
         12 
         13 std::string ToStringDepRel(DepRelation const& rep_rel)
         14 {
         15     auto ss = std::ostringstream{};
         16 
         17     ss << FileUtils::ToStringPath(rep_rel.PackageA) << " -> "
         18        << FileUtils::ToStringPath(rep_rel.PackageB) << " : " << rep_rel.CountAtoB << " "
         19        << FileUtils::ToStringPaths(rep_rel.IncsAtoB, " ") << std::endl;
         20 
         21     ss << FileUtils::ToStringPath(rep_rel.PackageB) << " -> "
         22        << FileUtils::ToStringPath(rep_rel.PackageA) << " : " << rep_rel.CountBtoA << " "
         23        << FileUtils::ToStringPaths(rep_rel.IncsBtoA, " ");
         24 
         25     return ss.str();
         26 }
         27 
         28 std::string ToStringDepRels(DepRels_t const& dep_rels)
         29 {
         30     auto ss = std::ostringstream{};
         31 
         32     auto first = true;
         33     for (auto const& dep : dep_rels) {
         34         if (!std::exchange(first, false)) {
         35             ss << std::endl;
         36         }
         37         ss << ToStringDepRel(dep) << std::endl;
         38     }
         39 
         40     return ss.str();
         41 }
         42 
         43 namespace {
         44 DepRelation gen_DepRelation(CppDir const& dirA, CppDir const& dirB)
         45 {
         46     auto a_dep        = std::pair<uint32_t, FileUtils::Paths_t>{dirA.DependsOn(dirB)};
         47     auto count_from_a = a_dep.first;
         48     auto incs_from_a  = std::move(a_dep.second);
         49 
         50     auto b_dep        = std::pair<uint32_t, FileUtils::Paths_t>{dirB.DependsOn(dirA)};
         51     auto count_from_b = b_dep.first;
         52     auto incs_from_b  = std::move(b_dep.second);
         53 
         54     if (dirA < dirB) {
         55         return DepRelation{dirA.Path(), count_from_a, std::move(incs_from_a),
         56                            dirB.Path(), count_from_b, std::move(incs_from_b)};
         57     }
         58     else {
         59         return DepRelation{dirB.Path(), count_from_b, std::move(incs_from_b),
         60                            dirA.Path(), count_from_a, std::move(incs_from_a)};
         61     }
         62 }
         63 }  // namespace
         64 
         65 Dir2Dir_t GenDir2Dir(std::string dirA, std::string dirB)
         66 {
         67     return dirA < dirB ? std::make_pair(std::move(dirA), std::move(dirB))
         68                        : std::make_pair(std::move(dirB), std::move(dirA));
         69 }
         70 
         71 DepRels_t GenDepRels(CppDirs_t const& cpp_dirs)
         72 {
         73     auto ret = DepRels_t{};
         74 
         75     for (auto const& dirA : cpp_dirs) {
         76         for (auto const& dirB : cpp_dirs) {
         77             if (dirA <= dirB) {
         78                 continue;
         79             }
         80             ret.emplace_back(gen_DepRelation(dirA, dirB));
         81         }
         82     }
         83 
         84     ret.sort();
         85 
         86     return ret;
         87 }
         88 
         89 DepRels_t::const_iterator FindDepRels(DepRels_t const& dep_rels, std::string const& dirA,
         90                                       std::string const& dirB) noexcept
         91 {
         92     assert(dirA != dirB);
         93 
         94     auto dirs = std::minmax(dirA, dirB);
         95 
         96     return std::find_if(dep_rels.cbegin(), dep_rels.cend(), [&dirs](auto const& d) noexcept {
         97         return d.PackageA == dirs.first && d.PackageB == dirs.second;
         98     });
         99 }
        100 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/cpp_deps.h

          1 #pragma once
          2 #include <compare>
          3 #include <vector>
          4 
          5 #include "cpp_deps.h"
          6 #include "cpp_dir.h"
          7 #include "file_utils/path_utils.h"
          8 
          9 namespace Dependency {
         10 
         11 struct DepRelation {
         12     explicit DepRelation(std::string package_a, uint32_t count_a2b, FileUtils::Paths_t&& incs_a2b,
         13                          std::string package_b, uint32_t count_b2a, FileUtils::Paths_t&& incs_b2a)
         14         : PackageA{std::move(package_a)},
         15           CountAtoB{count_a2b},
         16           IncsAtoB{std::move(incs_a2b)},
         17           PackageB{std::move(package_b)},
         18           CountBtoA{count_b2a},
         19           IncsBtoA{std::move(incs_b2a)}
         20     {
         21     }
         22 
         23     std::string const        PackageA;
         24     uint32_t const           CountAtoB;
         25     FileUtils::Paths_t const IncsAtoB;
         26 
         27     std::string const        PackageB;
         28     uint32_t const           CountBtoA;
         29     FileUtils::Paths_t const IncsBtoA;
         30 
         31     friend bool operator==(DepRelation const& lhs, DepRelation const& rhs) noexcept = default;
         32 };
         33 
         34 inline auto operator<=>(DepRelation const& lhs, DepRelation const& rhs) noexcept
         35 {
         36     // PackageA を比較し、等しくなければその比較結果を返す
         37     if (auto cmp = lhs.PackageA <=> rhs.PackageA; cmp != 0) {
         38         return cmp;
         39     }
         40 
         41     return lhs.PackageB <=> rhs.PackageB;  // PackageAが等しければ PackageBを比較
         42 }
         43 
         44 using Dir2Dir_t = std::pair<std::string, std::string>;
         45 using DepRels_t = std::list<DepRelation>;
         46 
         47 std::string ToStringDepRel(DepRelation const& rep_rel);
         48 
         49 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, DepRelation const& dep_rel)
         50 {
         51     return os << ToStringDepRel(dep_rel);
         52 }
         53 
         54 Dir2Dir_t GenDir2Dir(std::string const& dirA, std::string const& dirB);
         55 
         56 std::string          ToStringDepRels(DepRels_t const& dep_rels);
         57 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, DepRels_t const& dep_rels)
         58 {
         59     return os << ToStringDepRels(dep_rels);
         60 }
         61 
         62 DepRels_t                 GenDepRels(CppDirs_t const& dirs);
         63 DepRels_t::const_iterator FindDepRels(DepRels_t const& dep_rels, std::string const& dirA,
         64                                       std::string const& dirB) noexcept;
         65 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/cpp_dir.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <sstream>
          3 #include <tuple>
          4 
          5 #include "cpp_dir.h"
          6 #include "cpp_src.h"
          7 #include "lib/nstd.h"
          8 
          9 namespace Dependency {
         10 
         11 bool CppDir::Contains(FileUtils::Path_t const& inc_path) const noexcept
         12 {
         13     for (auto const& src : srcs_) {
         14         if (src.Path() == inc_path) {
         15             return true;
         16         }
         17     }
         18 
         19     return false;
         20 }
         21 
         22 std::pair<uint32_t, FileUtils::Paths_t> CppDir::DependsOn(CppDir const& cpp_pack) const
         23 {
         24     auto count = 0U;
         25     auto incs  = FileUtils::Paths_t{};
         26 
         27     for (auto const& src : srcs_) {
         28         for (auto const& inc : src.GetIncs()) {
         29             if (cpp_pack.Contains(inc)) {
         30                 incs.push_back(inc);
         31                 ++count;
         32             }
         33         }
         34     }
         35 
         36     Nstd::SortUnique(incs);
         37 
         38     return {count, std::move(incs)};
         39 }
         40 
         41 CppDirs_t GenCppDirs(FileUtils::Paths_t const& srcs, FileUtils::Filename2Path_t const& db)
         42 {
         43     auto ret = CppDirs_t{};
         44 
         45     for (auto const& src : srcs) {
         46         auto cpp_src = CppSrc{src, db};
         47         ret.emplace_back(CppDir{cpp_src.Filename(), {cpp_src}});
         48     }
         49 
         50     return ret;
         51 }
         52 
         53 std::string ToStringCppDir(CppDir const& cpp_pack)
         54 {
         55     auto ss = std::ostringstream{};
         56 
         57     ss << FileUtils::ToStringPath(cpp_pack.Path()) << std::endl;
         58 
         59     auto first = true;
         60     for (auto const& src : cpp_pack.GetSrcs()) {
         61         if (first) {
         62             first = false;
         63         }
         64         else {
         65             ss << std::endl;
         66         }
         67         ss << ToStringCppSrc(src);
         68     }
         69 
         70     return ss.str();
         71 }
         72 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/cpp_dir.h

          1 #pragma once
          2 #include <iostream>
          3 #include <string>
          4 #include <utility>
          5 
          6 #include "cpp_src.h"
          7 #include "file_utils/path_utils.h"
          8 
          9 namespace Dependency {
         10 
         11 class CppDir {
         12 public:
         13     explicit CppDir(FileUtils::Path_t const& path, CppSrcs_t&& srcs)
         14         : path_{path}, srcs_{std::move(srcs)}
         15     {
         16     }
         17 
         18     FileUtils::Path_t const& Path() const noexcept { return path_; }
         19     bool                     Contains(FileUtils::Path_t const& inc_path) const noexcept;
         20 
         21     // first  依存するヘッダファイルのインクルード数
         22     // second 依存するヘッダファイル
         23     std::pair<uint32_t, FileUtils::Paths_t> DependsOn(CppDir const& cpp_pack) const;
         24     CppSrcs_t const&                        GetSrcs() const noexcept { return srcs_; }
         25 
         26 private:
         27     FileUtils::Path_t const path_;
         28     CppSrcs_t const         srcs_;
         29 
         30     friend bool operator==(CppDir const& lhs, CppDir const& rhs) noexcept  = default;
         31     friend auto operator<=>(CppDir const& lhs, CppDir const& rhs) noexcept = default;
         32 };
         33 
         34 using CppDirs_t = std::vector<CppDir>;
         35 
         36 CppDirs_t GenCppDirs(FileUtils::Paths_t const& srcs, FileUtils::Filename2Path_t const& db);
         37 
         38 std::string          ToStringCppDir(CppDir const& cpp_pack);
         39 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, CppDir const& dir)
         40 {
         41     return os << ToStringCppDir(dir);
         42 }
         43 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/cpp_src.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <fstream>
          3 #include <regex>
          4 #include <sstream>
          5 #include <tuple>
          6 
          7 #include "cpp_src.h"
          8 #include "lib/nstd.h"
          9 
         10 namespace {
         11 
         12 FileUtils::Paths_t get_incs(FileUtils::Path_t const& src)
         13 {
         14     static auto const include_line = std::regex{R"(^\s*#include\s+["<]([\w/.]+)[">](.*))"};
         15 
         16     auto ret  = FileUtils::Paths_t{};
         17     auto f    = std::ifstream{src};
         18     auto line = std::string{};
         19 
         20     while (std::getline(f, line)) {
         21         if (line.size() > 0) {  // CRLF対策
         22             auto last = --line.end();
         23             if (*last == '\xa' || *last == '\xd') {
         24                 line.erase(last);
         25             }
         26         }
         27 
         28         if (auto results = std::smatch{}; std::regex_match(line, results, include_line)) {
         29             ret.emplace_back(FileUtils::Path_t(results[1].str()).filename());
         30         }
         31     }
         32 
         33     return ret;
         34 }
         35 
         36 void get_incs_full(FileUtils::Filename2Path_t const& db, FileUtils::Path_t const& src,
         37                    FileUtils::Paths_t& incs, FileUtils::Paths_t& not_found, bool sort_uniq)
         38 {
         39     auto const inc_files = get_incs(src);
         40 
         41     for (auto const& f : inc_files) {
         42         if (db.count(f) == 0) {
         43             not_found.push_back(f);
         44         }
         45         else {
         46             auto full_path = db.at(f);
         47             if (!any_of(
         48                     incs.cbegin(), incs.cend(),
         49                     [&full_path](FileUtils::Path_t const& p) noexcept { return p == full_path; })) {
         50                 incs.emplace_back(full_path);
         51                 get_incs_full(db, full_path, incs, not_found, false);
         52             }
         53         }
         54     }
         55 
         56     if (sort_uniq) {
         57         Nstd::SortUnique(incs);
         58         Nstd::SortUnique(not_found);
         59     }
         60 }
         61 }  // namespace
         62 
         63 namespace Dependency {
         64 
         65 CppSrc::CppSrc(FileUtils::Path_t const& pathname, FileUtils::Filename2Path_t const& db)
         66     : path_{FileUtils::NormalizeLexically(pathname)},
         67       filename_{path_.filename()},
         68       incs_{},
         69       not_found_{}
         70 {
         71     get_incs_full(db, pathname, incs_, not_found_, true);
         72 }
         73 
         74 CppSrcs_t GenCppSrc(FileUtils::Paths_t const& srcs, FileUtils::Filename2Path_t const& db)
         75 {
         76     auto ret = CppSrcs_t{};
         77 
         78     for (auto const& src : srcs) {
         79         ret.emplace_back(CppSrc{src, db});
         80     }
         81 
         82     return ret;
         83 }
         84 
         85 std::string ToStringCppSrc(CppSrc const& cpp_src)
         86 {
         87     auto ss = std::ostringstream{};
         88 
         89     ss << "file              : " << FileUtils::ToStringPath(cpp_src.Filename()) << std::endl;
         90     ss << "path              : " << FileUtils::ToStringPath(cpp_src.Path()) << std::endl;
         91     ss << "include           : " << FileUtils::ToStringPaths(cpp_src.GetIncs(), " ") << std::endl;
         92     ss << "include not found : " << FileUtils::ToStringPaths(cpp_src.GetIncsNotFound(), " ")
         93        << std::endl;
         94 
         95     return ss.str();
         96 }
         97 
         98 namespace {
         99 constexpr std::string_view target_ext[]{".c", ".h", ".cpp", ".cxx", ".cc", ".hpp", ".hxx", ".tcc"};
        100 
        101 bool is_c_or_cpp(std::string ext)
        102 {
        103     std::transform(ext.begin(), ext.end(), ext.begin(), ::tolower);
        104 
        105     if (std::any_of(std::begin(target_ext), std::end(target_ext),
        106                     [&ext](std::string_view s) noexcept { return s == ext; })) {
        107         return true;
        108     }
        109 
        110     return false;
        111 }
        112 
        113 FileUtils::Paths_t gen_dirs(FileUtils::Path_t const& top_dir, FileUtils::Paths_t const& srcs)
        114 {
        115     auto dirs           = FileUtils::Paths_t{top_dir};
        116     auto const top_dir2 = FileUtils::Path_t{""};  // top_dirが"."の場合、parent_path()は""になる}。
        117 
        118     for (auto const& src : srcs) {
        119         for (auto dir = src.parent_path(); dir != top_dir && dir != top_dir2;
        120              dir      = dir.parent_path()) {
        121             dirs.push_back(dir);
        122         }
        123     }
        124 
        125     return dirs;
        126 }
        127 
        128 FileUtils::Paths_t find_c_or_cpp_srcs(FileUtils::Path_t const& top_path)
        129 {
        130     auto srcs = FileUtils::Paths_t{};
        131 
        132     namespace fs = std::filesystem;
        133     for (fs::path const& p : fs::recursive_directory_iterator{top_path}) {
        134         if (fs::is_regular_file(p) && is_c_or_cpp(p.extension())) {
        135             srcs.emplace_back(FileUtils::NormalizeLexically(p));
        136         }
        137     }
        138 
        139     return srcs;
        140 }
        141 }  // namespace
        142 
        143 std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Paths_t> GetCppDirsSrcs(FileUtils::Paths_t const& dirs)
        144 {
        145     auto dirs_srcs = FileUtils::Paths_t{};
        146     auto srcs      = FileUtils::Paths_t{};
        147 
        148     for (auto const& dir : dirs) {
        149         FileUtils::Path_t const top_path      = FileUtils::NormalizeLexically(dir);
        150         auto                    sub_srcs      = find_c_or_cpp_srcs(top_path);
        151         auto                    sub_dirs_srcs = gen_dirs(top_path, sub_srcs);
        152 
        153         Nstd::Concatenate(srcs, std::move(sub_srcs));
        154         Nstd::Concatenate(dirs_srcs, std::move(sub_dirs_srcs));
        155     }
        156 
        157     Nstd::SortUnique(srcs);
        158     Nstd::SortUnique(dirs_srcs);
        159 
        160     return {std::move(dirs_srcs), std::move(srcs)};
        161 }
        162 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/cpp_src.h

          1 #pragma once
          2 #include <string>
          3 #include <utility>
          4 #include <vector>
          5 
          6 #include "file_utils/path_utils.h"
          7 
          8 namespace Dependency {
          9 
         10 class CppSrc {
         11 public:
         12     explicit CppSrc(FileUtils::Path_t const& pathname, FileUtils::Filename2Path_t const& db);
         13     FileUtils::Paths_t const& GetIncs() const noexcept { return incs_; }
         14     FileUtils::Paths_t const& GetIncsNotFound() const noexcept { return not_found_; }
         15     FileUtils::Path_t const&  Filename() const noexcept { return filename_; }
         16     FileUtils::Path_t const&  Path() const noexcept { return path_; }
         17 
         18 private:
         19     FileUtils::Path_t const path_;
         20     FileUtils::Path_t const filename_;
         21     FileUtils::Paths_t      incs_;
         22     FileUtils::Paths_t      not_found_;
         23 
         24     friend bool operator==(CppSrc const& lhs, CppSrc const& rhs) noexcept  = default;
         25     friend auto operator<=>(CppSrc const& lhs, CppSrc const& rhs) noexcept = default;
         26 };
         27 
         28 using CppSrcs_t = std::vector<CppSrc>;
         29 CppSrcs_t   GenCppSrc(FileUtils::Paths_t const& srcs, FileUtils::Filename2Path_t const& db);
         30 std::string ToStringCppSrc(CppSrc const& cpp_src);
         31 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, CppSrc const& cpp_src)
         32 {
         33     return os << ToStringCppSrc(cpp_src);
         34 }
         35 
         36 // first  dirs配下のソースファイルを含むディレクトリ
         37 // second dirs配下のソースファイル
         38 std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Paths_t> GetCppDirsSrcs(FileUtils::Paths_t const& dirs);
         39 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/deps_scenario.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <iostream>
          3 #include <regex>
          4 #include <stdexcept>
          5 
          6 #include "arch_pkg.h"  // 実装用ヘッダファイル
          7 // @@@ sample begin 0:0
          8 
          9 #include "cpp_deps.h"                  // 実装用ヘッダファイル
         10 #include "cpp_dir.h"                   // 実装用ヘッダファイル
         11 #include "cpp_src.h"                   // 実装用ヘッダファイル
         12 #include "dependency/deps_scenario.h"  // dependencyパッケージからのインポート
         13 #include "file_utils/load_store.h"     // file_utilsパッケージからのインポート
         14 #include "lib/nstd.h"                  // libパッケージからのインポート
         15 // @@@ sample end
         16 #include "load_store_format.h"
         17 
         18 namespace Dependency {
         19 namespace {
         20 
         21 bool has_error_for_dir(FileUtils::Paths_t const& dirs)
         22 {
         23     if (dirs.size() == 0) {
         24         throw std::runtime_error{"need directories to generate package"};
         25     }
         26 
         27     auto not_dirs = FileUtils::NotDirs(dirs);
         28 
         29     if (not_dirs.size() != 0) {
         30         throw std::runtime_error{FileUtils::ToStringPaths(not_dirs) + " not directory"};
         31     }
         32 
         33     return false;
         34 }
         35 
         36 FileUtils::Paths_t remove_dirs_match_pattern(FileUtils::Paths_t&& dirs, std::string const& pattern)
         37 {
         38     if (pattern.size() == 0) {
         39         return std::move(dirs);
         40     }
         41 
         42     auto const re_pattern = std::regex{pattern};
         43 
         44     dirs.remove_if([&re_pattern](auto const& d) {
         45         auto results = std::smatch{};
         46         auto d_str   = d.string();
         47         return std::regex_match(d_str, results, re_pattern);
         48     });
         49 
         50     return std::move(dirs);
         51 }
         52 
         53 // first  dirs配下のソースファイルを含むディレクトリ(パッケージ)
         54 // second 上記パッケージに含まれるソースファイル
         55 std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Dirs2Srcs_t> gen_dirs_and_dirs2srcs(
         56     FileUtils::Paths_t const& dirs, bool recursive, std::string const& pattern)
         57 {
         58     auto ret      = std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Paths_t>{GetCppDirsSrcs(dirs)};
         59     auto srcs     = FileUtils::Paths_t{std::move(ret.second)};
         60     auto dirs_pkg = FileUtils::Paths_t{recursive ? std::move(ret.first) : dirs};
         61 
         62     dirs_pkg = remove_dirs_match_pattern(std::move(dirs_pkg), pattern);
         63 
         64     auto dirs2srcs = FileUtils::Dirs2Srcs_t{FileUtils::AssginSrcsToDirs(dirs_pkg, srcs)};
         65 
         66     return {std::move(dirs_pkg), std::move(dirs2srcs)};
         67 }
         68 
         69 FileUtils::Paths_t gen_dirs(FileUtils::Paths_t const& dirs, bool recursive,
         70                             std::string const& pattern)
         71 {
         72     auto dirs2srcs = std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Dirs2Srcs_t>{
         73         gen_dirs_and_dirs2srcs(dirs, recursive, pattern)};
         74 
         75     auto dirs_pkg = FileUtils::Paths_t{std::move(dirs2srcs.first)};
         76     auto assign   = FileUtils::Dirs2Srcs_t{std::move(dirs2srcs.second)};
         77 
         78     auto ret = FileUtils::Paths_t{};
         79     for (auto& dir : dirs_pkg) {
         80         if (assign.count(dir) == 0) {
         81             std::cout << dir << " not including C++ files" << std::endl;
         82         }
         83         else {
         84             ret.emplace_back(std::move(dir));
         85         }
         86     }
         87 
         88     return ret;
         89 }
         90 
         91 FileUtils::Paths_t gen_dirs(std::string const& in, bool recursive,
         92                             FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern)
         93 {
         94     auto dirs = FileUtils::Paths_t{};
         95 
         96     if (in.size() != 0) {
         97         auto ret = std::optional<FileUtils::Paths_t>{FileUtils::LoadFromFile(in, Load_Paths)};
         98         if (!ret) {
         99             throw std::runtime_error{in + " is illegal"};
        100         }
        101         dirs = std::move(*ret);
        102     }
        103 
        104     Nstd::Concatenate(dirs, FileUtils::Paths_t(dirs_opt));
        105 
        106     if (has_error_for_dir(dirs)) {
        107         return dirs;
        108     }
        109 
        110     return gen_dirs(dirs, recursive, pattern);
        111 }
        112 
        113 bool includes(FileUtils::Paths_t const& dirs, FileUtils::Path_t const& dir) noexcept
        114 {
        115     auto const count
        116         = std::count_if(dirs.cbegin(), dirs.cend(),
        117                         [&dir](auto const& dir_in_dirs) noexcept { return dir_in_dirs == dir; });
        118 
        119     return count != 0;
        120 }
        121 
        122 FileUtils::Dirs2Srcs_t dirs2srcs_to_src2src(FileUtils::Paths_t const&    dirs_opt,
        123                                             FileUtils::Dirs2Srcs_t const dirs2srcs, bool recursive)
        124 {
        125     auto ret = FileUtils::Dirs2Srcs_t{};
        126 
        127     for (auto const& pair : dirs2srcs) {
        128         for (auto const& src : pair.second) {
        129             if (recursive) {
        130                 ret.insert(std::make_pair(src.filename(), FileUtils::Paths_t{src}));
        131             }
        132             else {
        133                 if (includes(dirs_opt, pair.first)) {
        134                     auto dir = FileUtils::NormalizeLexically(src.parent_path());
        135 
        136                     if (dir == pair.first) {
        137                         ret.insert(std::make_pair(src.filename(), FileUtils::Paths_t{src}));
        138                     }
        139                 }
        140             }
        141         }
        142     }
        143 
        144     return ret;
        145 }
        146 
        147 FileUtils::Dirs2Srcs_t gen_dirs2srcs(std::string const& in, bool recursive, bool src_as_pkg,
        148                                      FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern)
        149 {
        150     auto dirs2srcs = FileUtils::Dirs2Srcs_t{};
        151     auto dirs      = FileUtils::Paths_t{};
        152 
        153     if (in.size() != 0) {
        154         using FileUtils::LoadFromFile;
        155         auto ret = std::optional<FileUtils::Dirs2Srcs_t>{LoadFromFile(in, Load_Dirs2Srcs)};
        156 
        157         if (ret) {
        158             if (dirs_opt.size() != 0) {
        159                 std::cout << "DIRS ignored." << std::endl;
        160             }
        161 
        162             if (recursive) {
        163                 std::cout << "option \"recursive\" ignored." << std::endl;
        164             }
        165             return std::move(*ret);
        166         }
        167         else {
        168             auto ret = std::optional<FileUtils::Paths_t>{LoadFromFile(in, Load_Paths)};
        169 
        170             if (!ret) {
        171                 throw std::runtime_error{in + " is illegal"};
        172             }
        173             dirs = std::move(*ret);
        174         }
        175     }
        176 
        177     Nstd::Concatenate(dirs, FileUtils::Paths_t(dirs_opt));
        178 
        179     if (has_error_for_dir(dirs)) {
        180         return dirs2srcs;
        181     }
        182 
        183     std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Dirs2Srcs_t> ret
        184         = gen_dirs_and_dirs2srcs(dirs, recursive, pattern);
        185 
        186     auto dirs_pkg = FileUtils::Paths_t{std::move(ret.first)};
        187     auto assign   = FileUtils::Dirs2Srcs_t{std::move(ret.second)};
        188 
        189     return src_as_pkg ? dirs2srcs_to_src2src(dirs_opt, assign, recursive) : assign;
        190 }
        191 
        192 FileUtils::Filename2Path_t gen_src_db(FileUtils::Dirs2Srcs_t const& dir2srcs)
        193 {
        194     auto srcs = FileUtils::Paths_t{};
        195 
        196     for (auto const& pair : dir2srcs) {
        197         auto s = pair.second;
        198         Nstd::Concatenate(srcs, std::move(s));
        199     }
        200 
        201     return FileUtils::GenFilename2Path(srcs);
        202 }
        203 }  // namespace
        204 
        205 PkgGenerator::PkgGenerator(std::string const& in, bool recursive,
        206                            FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern)
        207     : dirs_{gen_dirs(in, recursive, dirs_opt, pattern)}
        208 {
        209 }
        210 
        211 bool PkgGenerator::Output(std::ostream& os) const
        212 {
        213     StoreToStream(os, dirs_);
        214 
        215     return true;
        216 }
        217 
        218 SrcsGenerator::SrcsGenerator(std::string const& in, bool recursive,
        219                              FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern)
        220     : dirs_{gen_dirs(in, recursive, dirs_opt, pattern)}
        221 {
        222 }
        223 
        224 bool SrcsGenerator::Output(std::ostream& os) const
        225 {
        226     auto       ret  = std::pair<FileUtils::Paths_t, FileUtils::Paths_t>{GetCppDirsSrcs(dirs_)};
        227     auto       dirs = FileUtils::Paths_t{std::move(ret.first)};
        228     auto       srcs = FileUtils::Paths_t{std::move(ret.second)};
        229     auto const db   = FileUtils::GenFilename2Path(srcs);
        230 
        231     auto cpp_dirs = CppDirs_t{GenCppDirs(srcs, db)};
        232 
        233     for (auto const& d : cpp_dirs) {
        234         os << "---" << std::endl;
        235         os << d << std::endl;
        236     }
        237 
        238     return true;
        239 }
        240 
        241 Pkg2SrcsGenerator::Pkg2SrcsGenerator(std::string const& in, bool recursive, bool src_as_pkg,
        242                                      FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern)
        243     : dirs2srcs_{gen_dirs2srcs(in, recursive, src_as_pkg, dirs_opt, pattern)}
        244 {
        245 }
        246 
        247 bool Pkg2SrcsGenerator::Output(std::ostream& os) const
        248 {
        249     StoreToStream(os, dirs2srcs_);
        250 
        251     return true;
        252 }
        253 
        254 Pkg2PkgGenerator::Pkg2PkgGenerator(std::string const& in, bool recursive, bool src_as_pkg,
        255                                    FileUtils::Paths_t const& dirs_opt, std::string const& pattern)
        256     : dirs2srcs_{gen_dirs2srcs(in, recursive, src_as_pkg, dirs_opt, pattern)}
        257 {
        258 }
        259 
        260 bool Pkg2PkgGenerator::Output(std::ostream& os) const
        261 {
        262     auto cpp_dirs = CppDirs_t{};
        263 
        264     auto const db = gen_src_db(dirs2srcs_);
        265 
        266     for (auto const& pair : dirs2srcs_) {
        267         cpp_dirs.emplace_back(CppDir{pair.first, GenCppSrc(pair.second, db)});
        268     }
        269 
        270     DepRels_t const dep_rels = GenDepRels(cpp_dirs);
        271 
        272     StoreToStream(os, dep_rels);
        273 
        274     return true;
        275 }
        276 
        277 namespace {
        278 DepRels_t gen_dep_rel(std::string const& in)
        279 {
        280     if (in.size() == 0) {
        281         throw std::runtime_error{"IN-file needed"};
        282     }
        283 
        284     auto ret = std::optional<DepRels_t>{FileUtils::LoadFromFile(in, Load_DepRels)};
        285 
        286     if (!ret) {
        287         throw std::runtime_error{"IN-file load error"};
        288     }
        289 
        290     return *ret;
        291 }
        292 }  // namespace
        293 
        294 struct ArchGenerator::Impl {
        295     Impl(DepRels_t&& a_dep_rels) : dep_rels(std::move(a_dep_rels)), arch(ArchPkg::GenArch(dep_rels))
        296     {
        297     }
        298     DepRels_t const dep_rels;
        299     Arch_t const    arch;
        300 };
        301 
        302 ArchGenerator::ArchGenerator(std::string const& in)
        303     : impl_{std::make_unique<ArchGenerator::Impl>(gen_dep_rel(in))}
        304 {
        305 }
        306 
        307 bool ArchGenerator::Output(std::ostream& os) const
        308 {
        309     StoreToStream(os, impl_->arch);
        310 
        311     return true;
        312 }
        313 ArchGenerator::~ArchGenerator() {}
        314 
        315 Arch2PUmlGenerator::Arch2PUmlGenerator(std::string const& in) : ArchGenerator{in} {}
        316 
        317 bool Arch2PUmlGenerator::Output(std::ostream& os) const
        318 {
        319     os << "@startuml" << std::endl;
        320     os << "scale max 730 width" << std::endl;  // これ以上大きいとpdfにした時に右端が切れる
        321 
        322     os << ToPlantUML_Rectangle(impl_->arch) << std::endl;
        323     os << std::endl;
        324 
        325     os << ToPlantUML_Rectangle(impl_->arch, impl_->dep_rels) << std::endl;
        326     os << std::endl;
        327 
        328     os << "@enduml" << std::endl;
        329 
        330     return true;
        331 }
        332 
        333 CyclicGenerator::CyclicGenerator(std::string const& in)
        334     : ArchGenerator{in}, has_cyclic_dep_{HasCyclicDeps(impl_->arch, impl_->dep_rels)}
        335 {
        336 }
        337 
        338 bool CyclicGenerator::Output(std::ostream& os) const
        339 {
        340     os << "cyclic dependencies " << (has_cyclic_dep_ ? "" : "not ") << "found" << std::endl;
        341 
        342     return !has_cyclic_dep_;
        343 }
        344 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/load_store_format.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <iostream>
          3 #include <regex>
          4 
          5 #include "file_utils/load_store.h"
          6 #include "load_store_format.h"
          7 
          8 namespace Dependency {
          9 namespace {
         10 auto const file_format_dir2srcs = std::string_view{"#dir2srcs"};
         11 auto const file_format_dir      = std::string_view{"#dir"};
         12 auto const file_format_deps     = std::string_view{"#deps"};
         13 auto const file_format_arch     = std::string_view{"#arch"};
         14 }  // namespace
         15 
         16 bool StoreToStream(std::ostream& os, FileUtils::Paths_t const& paths)
         17 {
         18     os << file_format_dir << std::endl;
         19 
         20     using FileUtils::operator<<;
         21     os << paths << std::endl;
         22 
         23     return true;
         24 }
         25 
         26 bool StoreToStream(std::ostream& os, FileUtils::Dirs2Srcs_t const& dirs2srcs)
         27 {
         28     os << file_format_dir2srcs << std::endl;
         29 
         30     using FileUtils::operator<<;
         31     os << dirs2srcs << std::endl;
         32 
         33     return true;
         34 }
         35 
         36 namespace {
         37 
         38 bool is_format_dirs2srcs(std::istream& is)
         39 {
         40     auto line = std::string{};
         41 
         42     if (std::getline(is, line)) {
         43         if (line == file_format_dir2srcs) {
         44             return true;
         45         }
         46     }
         47 
         48     return false;
         49 }
         50 
         51 FileUtils::Dirs2Srcs_t load_Dirs2Srcs_t(std::istream& is)
         52 {
         53     static auto const line_sep = std::regex{R"(^\s*$)"};
         54     static auto const line_dir = std::regex{R"(^([\w/.]+)$)"};
         55     static auto const line_src = std::regex{R"(^\s+([\w/.]+)$)"};
         56 
         57     auto line      = std::string{};
         58     auto dir       = FileUtils::Path_t{};
         59     auto srcs      = FileUtils::Paths_t{};
         60     auto dirs2srcs = FileUtils::Dirs2Srcs_t{};
         61 
         62     while (std::getline(is, line)) {
         63         if (auto results = std::smatch{}; std::regex_match(line, results, line_sep)) {
         64             dirs2srcs[dir].swap(srcs);
         65         }
         66         else if (std::regex_match(line, results, line_dir)) {
         67             dir = results[1].str();
         68         }
         69         else if (std::regex_match(line, results, line_src)) {
         70             srcs.push_back(results[1].str());
         71         }
         72         else {
         73             std::cout << line << std::endl;
         74             assert(false);
         75         }
         76     }
         77 
         78     return dirs2srcs;
         79 }
         80 }  // namespace
         81 
         82 std::optional<FileUtils::Dirs2Srcs_t> Load_Dirs2Srcs(std::istream& is)
         83 {
         84     auto dirs2srcs = FileUtils::Dirs2Srcs_t{};
         85 
         86     if (!is) {
         87         return std::nullopt;
         88     }
         89 
         90     if (!is_format_dirs2srcs(is)) {
         91         return std::nullopt;
         92     }
         93 
         94     return load_Dirs2Srcs_t(is);
         95 }
         96 
         97 namespace {
         98 
         99 bool is_format_dirs(std::istream& is)
        100 {
        101     auto line = std::string{};
        102 
        103     if (std::getline(is, line)) {
        104         if (line == file_format_dir) {
        105             return true;
        106         }
        107     }
        108 
        109     return false;
        110 }
        111 }  // namespace
        112 
        113 std::optional<FileUtils::Paths_t> Load_Paths(std::istream& is)
        114 {
        115     auto paths = FileUtils::Paths_t{};
        116 
        117     if (!is_format_dirs(is)) {
        118         return std::nullopt;
        119     }
        120 
        121     auto line = std::string{};
        122     while (std::getline(is, line)) {
        123         paths.emplace_back(FileUtils::Path_t(line));
        124     }
        125 
        126     return paths;
        127 }
        128 
        129 bool StoreToStream(std::ostream& os, DepRels_t const& dep_rels)
        130 {
        131     os << file_format_deps << std::endl;
        132     os << dep_rels << std::endl;
        133 
        134     return true;
        135 }
        136 
        137 namespace {
        138 
        139 bool is_format_deps(std::istream& is)
        140 {
        141     auto line = std::string{};
        142 
        143     if (std::getline(is, line)) {
        144         if (line == file_format_deps) {
        145             return true;
        146         }
        147     }
        148 
        149     return false;
        150 }
        151 
        152 struct dep_half_t {
        153     bool               valid{false};
        154     std::string        from{};
        155     std::string        to{};
        156     uint32_t           count{0};
        157     FileUtils::Paths_t headers{};
        158 };
        159 
        160 FileUtils::Paths_t gen_paths(std::string const& paths_str)
        161 {
        162     auto const sep = std::regex{R"( +)"};
        163     auto       ret = FileUtils::Paths_t{};
        164 
        165     if (paths_str.size() != 0) {
        166         auto end = std::sregex_token_iterator{};
        167         for (auto it = std::sregex_token_iterator{paths_str.begin(), paths_str.end(), sep, -1};
        168              it != end; ++it) {
        169             ret.emplace_back(it->str());
        170         }
        171     }
        172 
        173     return ret;
        174 }
        175 
        176 dep_half_t get_dep_half(std::smatch const& results)
        177 {
        178     auto dep_half = dep_half_t{};
        179 
        180     dep_half.valid   = true;
        181     dep_half.from    = results[1].str();
        182     dep_half.to      = results[2].str();
        183     dep_half.count   = std::stoi(results[3].str());
        184     dep_half.headers = gen_paths(results[4].str());
        185 
        186     return dep_half;
        187 }
        188 
        189 DepRelation gen_dep_rel(dep_half_t&& first, dep_half_t&& second)
        190 {
        191     assert(first.valid);
        192     assert(second.valid);
        193     assert(first.from < second.from);
        194 
        195     return DepRelation{first.from,  first.count,  std::move(first.headers),
        196                        second.from, second.count, std::move(second.headers)};
        197 }
        198 
        199 DepRels_t load_DepRelations_t(std::istream& is)
        200 {
        201     static auto const line_sep = std::regex{R"(^\s*$)"};
        202     static auto const line_dep = std::regex{R"(^([\w/.-]+) -> ([\w/.-]+) : ([\d]+) *(.*)$)"};
        203 
        204     auto line   = std::string{};
        205     auto first  = dep_half_t{};
        206     auto second = dep_half_t{};
        207 
        208     auto dep_rels = DepRels_t{};
        209 
        210     while (std::getline(is, line)) {
        211         if (auto results = std::smatch{}; std::regex_match(line, results, line_sep)) {
        212             dep_rels.emplace_back(gen_dep_rel(std::move(first), std::move(second)));
        213 
        214             first.valid  = false;
        215             second.valid = false;
        216         }
        217         else if (std::regex_match(line, results, line_dep)) {
        218             (!first.valid ? first : second) = get_dep_half(results);
        219         }
        220         else {
        221             assert(false);
        222         }
        223     }
        224 
        225     return dep_rels;
        226 }
        227 }  // namespace
        228 
        229 std::optional<DepRels_t> Load_DepRels(std::istream& is)
        230 {
        231     if (!is) {
        232         return std::nullopt;
        233     }
        234 
        235     if (!is_format_deps(is)) {
        236         return std::nullopt;
        237     }
        238 
        239     return load_DepRelations_t(is);
        240 }
        241 
        242 bool StoreToStream(std::ostream& os, Arch_t const& arch)
        243 {
        244     os << file_format_arch << std::endl;
        245     os << arch << std::endl;
        246 
        247     return true;
        248 }
        249 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/src/load_store_format.h

          1 #pragma once
          2 #include <optional>
          3 #include <utility>
          4 
          5 #include "arch_pkg.h"
          6 #include "cpp_deps.h"
          7 #include "file_utils/path_utils.h"
          8 
          9 namespace Dependency {
         10 
         11 // LoadStore
         12 bool                              StoreToStream(std::ostream& os, FileUtils::Paths_t const& paths);
         13 std::optional<FileUtils::Paths_t> Load_Paths(std::istream& is);
         14 
         15 // Dirs2Srcs_t
         16 bool StoreToStream(std::ostream& os, FileUtils::Dirs2Srcs_t const& dirs2srcs);
         17 std::optional<FileUtils::Dirs2Srcs_t> Load_Dirs2Srcs(std::istream& is);
         18 
         19 // DepRels_t
         20 bool                     StoreToStream(std::ostream& os, DepRels_t const& dep_rels);
         21 std::optional<DepRels_t> Load_DepRels(std::istream& is);
         22 
         23 // Arch_t
         24 bool StoreToStream(std::ostream& os, Arch_t const& arch);
         25 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/ut/arch_pkg_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "arch_pkg.h"
          4 
          5 namespace Dependency {
          6 namespace {
          7 
          8 using FileUtils::Paths_t;
          9 
         10 DepRels_t const dep_rels_simple{
         11     {DepRelation{"A", 1, Paths_t{"b.h"}, "B", 0, Paths_t{}}},
         12 };
         13 
         14 DepRels_t const dep_rels_simple2{
         15     {DepRelation{"X", 1, Paths_t{"b"}, "X/A", 0, Paths_t{}}},
         16     {DepRelation{"X", 1, Paths_t{"c"}, "X/B", 0, Paths_t{}}},
         17     {DepRelation{"X", 1, Paths_t{"d"}, "X/C", 0, Paths_t{}}},
         18     {DepRelation{"X", 0, Paths_t{}, "X/D", 0, Paths_t{}}},
         19     {DepRelation{"X", 0, Paths_t{}, "X/E", 0, Paths_t{}}},
         20 
         21     {DepRelation{"X/A", 1, Paths_t{"b"}, "X/B", 0, Paths_t{}}},
         22     {DepRelation{"X/B", 1, Paths_t{"c"}, "X/C", 0, Paths_t{}}},
         23     {DepRelation{"X/C", 1, Paths_t{"d"}, "X/D", 0, Paths_t{}}},
         24     {DepRelation{"X/A", 0, Paths_t{"a"}, "X/D", 1, Paths_t{}}},
         25     {DepRelation{"X/A", 1, Paths_t{"a"}, "X/E", 1, Paths_t{"d"}}},
         26 };
         27 
         28 DepRels_t const dep_rels_simple3{
         29     // A -> B
         30     // A -> C -> D -> A
         31     //      C -> B
         32     {DepRelation{"A", 1, Paths_t{}, "B", 0, Paths_t{}}},
         33     {DepRelation{"A", 1, Paths_t{}, "C", 0, Paths_t{"a"}}},
         34     {DepRelation{"A", 0, Paths_t{}, "D", 1, Paths_t{"a"}}},
         35 
         36     {DepRelation{"B", 0, Paths_t{}, "C", 1, Paths_t{"b"}}},
         37     {DepRelation{"B", 0, Paths_t{}, "D", 0, Paths_t{}}},
         38     {DepRelation{"C", 1, Paths_t{"d"}, "D", 0, Paths_t{}}},
         39 };
         40 
         41 DepRels_t const dep_rels_middle{
         42     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
         43     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}}},
         44     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
         45                  "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 2, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}}},
         46 };
         47 
         48 DepRels_t const dep_rels_complex{
         49     {DepRelation{"ut_data/app1", 2,
         50                  Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"},
         51                  "ut_data/app1/mod1", 0, Paths_t{}}},
         52     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}}},
         53     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
         54     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 1,
         55                  Paths_t{"ut_data/app1/a_1_cpp.h"}}},
         56     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 1,
         57                  Paths_t{"ut_data/app1/a_2_cpp.hpp"}}},
         58     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp"},
         59                  "ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}}},
         60     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
         61     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
         62                  "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}}},
         63     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 2,
         64                  Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}}},
         65     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
         66     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}}},
         67     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 0, Paths_t{}}},
         68     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
         69                  "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 2, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}}},
         70     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 0, Paths_t{}}},
         71     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 0, Paths_t{}}},
         72 };
         73 
         74 TEST(arch_pkg, ArchPkgSimple)
         75 {
         76     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple);
         77 
         78     ASSERT_EQ(2, arch.size());
         79 
         80     auto const& a = *arch.cbegin();
         81     ASSERT_EQ("A", a->Name());
         82     ASSERT_EQ(nullptr, a->Parent());
         83     ASSERT_EQ("B", a->DependOn().front()->Name());
         84     ASSERT_FALSE(a->IsCyclic());
         85     ASSERT_FALSE(a->IsCyclic(*a->DependOn().front()));
         86 
         87     auto const& children = a->Children();
         88     ASSERT_EQ(0, children.size());
         89 
         90     auto const& b = *std::next(arch.cbegin());
         91     ASSERT_EQ("B", b->Name());
         92     ASSERT_EQ(nullptr, b->Parent());
         93 
         94     ASSERT_EQ(0, b->DependOn().size());
         95     ASSERT_FALSE(b->IsCyclic());
         96 }
         97 
         98 TEST(arch_pkg, ArchPkgSimple2)
         99 {
        100     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple2);
        101 
        102     auto exp = std::string{
        103         "package  :X\n"
        104         "fullname :X\n"
        105         "parent   :TOP\n"
        106         "depend_on: {\n"
        107         "    A : STRAIGHT\n"
        108         "    B : STRAIGHT\n"
        109         "    C : STRAIGHT\n"
        110         "}\n"
        111         "children : {\n"
        112         "    package  :A:CYCLIC\n"
        113         "    fullname :X/A\n"
        114         "    parent   :X\n"
        115         "    depend_on: {\n"
        116         "        B : CYCLIC\n"
        117         "        E : CYCLIC\n"
        118         "    }\n"
        119         "    children : { }\n"
        120         "\n"
        121         "    package  :B:CYCLIC\n"
        122         "    fullname :X/B\n"
        123         "    parent   :X\n"
        124         "    depend_on: {\n"
        125         "        C : CYCLIC\n"
        126         "    }\n"
        127         "    children : { }\n"
        128         "\n"
        129         "    package  :C:CYCLIC\n"
        130         "    fullname :X/C\n"
        131         "    parent   :X\n"
        132         "    depend_on: {\n"
        133         "        D : CYCLIC\n"
        134         "    }\n"
        135         "    children : { }\n"
        136         "\n"
        137         "    package  :D:CYCLIC\n"
        138         "    fullname :X/D\n"
        139         "    parent   :X\n"
        140         "    depend_on: {\n"
        141         "        A : CYCLIC\n"
        142         "    }\n"
        143         "    children : { }\n"
        144         "\n"
        145         "    package  :E:CYCLIC\n"
        146         "    fullname :X/E\n"
        147         "    parent   :X\n"
        148         "    depend_on: {\n"
        149         "        A : CYCLIC\n"
        150         "    }\n"
        151         "    children : { }\n"
        152         "}"};
        153 
        154     ASSERT_EQ(exp, ToStringArch(arch));
        155 }
        156 
        157 TEST(arch_pkg, ArchPkgSimple3)
        158 {
        159     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple3);
        160 
        161     auto exp = std::string{
        162         "package  :A:CYCLIC\n"
        163         "fullname :A\n"
        164         "parent   :TOP\n"
        165         "depend_on: {\n"
        166         "    B : STRAIGHT\n"
        167         "    C : CYCLIC\n"
        168         "}\n"
        169         "children : { }\n"
        170         "\n"
        171         "package  :B\n"
        172         "fullname :B\n"
        173         "parent   :TOP\n"
        174         "depend_on: { }\n"
        175         "children : { }\n"
        176         "\n"
        177         "package  :C:CYCLIC\n"
        178         "fullname :C\n"
        179         "parent   :TOP\n"
        180         "depend_on: {\n"
        181         "    B : STRAIGHT\n"
        182         "    D : CYCLIC\n"
        183         "}\n"
        184         "children : { }\n"
        185         "\n"
        186         "package  :D:CYCLIC\n"
        187         "fullname :D\n"
        188         "parent   :TOP\n"
        189         "depend_on: {\n"
        190         "    A : CYCLIC\n"
        191         "}\n"
        192         "children : { }"};
        193 
        194     ASSERT_EQ(exp, ToStringArch(arch));
        195 }
        196 
        197 TEST(arch_pkg, ArchPkg2)
        198 {
        199     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_middle);
        200 
        201     ASSERT_EQ(1, arch.size());
        202 
        203     Arch_t const* mod2_children(nullptr);
        204     {
        205         auto const& mod2 = *arch.cbegin();
        206 
        207         ASSERT_EQ("mod2", mod2->Name());
        208         ASSERT_EQ(nullptr, mod2->Parent());
        209         ASSERT_EQ(0, mod2->DependOn().size());
        210         ASSERT_FALSE(mod2->IsCyclic());
        211 
        212         mod2_children = &mod2->Children();
        213         ASSERT_EQ(2, mod2_children->size());
        214     }
        215     {
        216         auto const& mod2_1 = *mod2_children->cbegin();
        217         ASSERT_EQ("mod2_1", mod2_1->Name());
        218         ASSERT_EQ("mod2", mod2_1->Parent()->Name());
        219         ASSERT_EQ("mod2_2", mod2_1->DependOn().front()->Name());
        220         ASSERT_TRUE(mod2_1->IsCyclic());
        221         ASSERT_TRUE(mod2_1->IsCyclic(*mod2_1->DependOn().front()));
        222 
        223         auto const& children = mod2_1->Children();
        224         ASSERT_EQ(0, children.size());
        225     }
        226     {
        227         auto const& mod2_2 = *std::next(mod2_children->cbegin());
        228         ASSERT_EQ("mod2_2", mod2_2->Name());
        229         ASSERT_EQ("mod2", mod2_2->Parent()->Name());
        230         ASSERT_EQ("mod2_1", mod2_2->DependOn().front()->Name());
        231         ASSERT_TRUE(mod2_2->IsCyclic());
        232         ASSERT_TRUE(mod2_2->IsCyclic(*mod2_2->DependOn().front()));
        233 
        234         auto const& children = mod2_2->Children();
        235         ASSERT_EQ(0, children.size());
        236     }
        237 }
        238 
        239 TEST(arch_pkg, ArchPkg3)
        240 {
        241     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_complex);
        242 
        243     /* std::cout << ToStringArch(arch) << std::endl;
        244 
        245         package  :app1:CYCLIC
        246         parent   :TOP
        247         depend_on: {
        248             mod1
        249         }
        250         children : {
        251             package  :mod1:CYCLIC
        252             parent   :app1
        253             depend_on: {
        254                 mod2
        255                 mod2_2
        256             }
        257 
        258             package  :mod2
        259             parent   :app1
        260             children : {
        261                 package  :mod2_1:CYCLIC
        262                 parent   :mod2
        263                 depend_on: {
        264                     mod2_2
        265                 }
        266 
        267                 package  :mod2_2:CYCLIC
        268                 parent   :mod2
        269                 depend_on: {
        270                     app1
        271                     mod2_1
        272                 }
        273             }
        274         }
        275         package  :app2
        276         parent   :TOP
        277         depend_on: {
        278             app1
        279             mod1
        280         }
        281     */
        282 
        283     {
        284         Arch_t const* app1_children(nullptr);
        285         {
        286             auto const& app1 = *arch.cbegin();
        287 
        288             ASSERT_EQ("app1", app1->Name());
        289             ASSERT_EQ(nullptr, app1->Parent());
        290             ASSERT_EQ(1, app1->DependOn().size());
        291             {
        292                 auto const& depend = app1->DependOn();
        293 
        294                 ASSERT_EQ("mod1", (*depend.cbegin())->Name());
        295                 ASSERT_TRUE(app1->IsCyclic(*(*depend.cbegin())));
        296             }
        297 
        298             ASSERT_TRUE(app1->IsCyclic());
        299 
        300             app1_children = &app1->Children();
        301             ASSERT_EQ(2, app1_children->size());
        302         }
        303         {
        304             {
        305                 auto const& mod1 = *app1_children->cbegin();
        306                 ASSERT_EQ("mod1", mod1->Name());
        307                 ASSERT_EQ("app1", mod1->Parent()->Name());
        308                 ASSERT_EQ(2, mod1->DependOn().size());
        309                 {
        310                     auto const& depend = mod1->DependOn();
        311 
        312                     ASSERT_EQ("mod2", (*depend.cbegin())->Name());
        313                     ASSERT_FALSE(mod1->IsCyclic(*(*depend.cbegin())));
        314 
        315                     auto const next = *std::next(depend.cbegin());
        316                     ASSERT_EQ("mod2_2", next->Name());
        317                     ASSERT_TRUE(mod1->IsCyclic(*next));
        318                 }
        319                 ASSERT_TRUE(mod1->IsCyclic());
        320             }
        321             Arch_t const* mod2_children(nullptr);
        322             {
        323                 auto const& mod2 = *std::next(app1_children->cbegin());
        324                 ASSERT_EQ("mod2", mod2->Name());
        325                 ASSERT_EQ("app1", mod2->Parent()->Name());
        326                 ASSERT_EQ(0, mod2->DependOn().size());
        327 
        328                 mod2_children = &mod2->Children();
        329                 ASSERT_EQ(2, mod2_children->size());
        330 
        331                 ASSERT_FALSE(mod2->IsCyclic());
        332             }
        333             {
        334                 {
        335                     auto const& mod2_1 = *mod2_children->cbegin();
        336                     ASSERT_EQ("mod2_1", mod2_1->Name());
        337 
        338                     ASSERT_EQ("mod2", mod2_1->Parent()->Name());
        339                     ASSERT_EQ(1, mod2_1->DependOn().size());
        340                     {
        341                         auto const& depend = mod2_1->DependOn();
        342                         ASSERT_EQ("mod2_2", (*depend.cbegin())->Name());
        343                         ASSERT_TRUE(mod2_1->IsCyclic(*(*depend.cbegin())));
        344                     }
        345 
        346                     ASSERT_TRUE(mod2_1->IsCyclic());
        347                     ASSERT_EQ(0, mod2_1->Children().size());
        348                 }
        349                 {
        350                     auto const& mod2_2 = *std::next(mod2_children->cbegin());
        351                     ASSERT_EQ("mod2_2", mod2_2->Name());
        352 
        353                     ASSERT_EQ("mod2", mod2_2->Parent()->Name());
        354                     ASSERT_EQ(2, mod2_2->DependOn().size());
        355                     {
        356                         auto const& depend = mod2_2->DependOn();
        357                         ASSERT_EQ("app1", (*depend.cbegin())->Name());
        358                         ASSERT_TRUE(mod2_2->IsCyclic(*(*depend.cbegin())));
        359 
        360                         auto const next = *std::next(depend.cbegin());
        361                         ASSERT_EQ("mod2_1", (*std::next(depend.cbegin()))->Name());
        362                         ASSERT_TRUE(mod2_2->IsCyclic(*next));
        363                     }
        364 
        365                     ASSERT_TRUE(mod2_2->IsCyclic());
        366                     ASSERT_EQ(0, mod2_2->Children().size());
        367                 }
        368             }
        369         }
        370     }
        371     {
        372         auto const& app2 = *std::next(arch.cbegin());
        373 
        374         ASSERT_EQ("app2", app2->Name());
        375         ASSERT_EQ(nullptr, app2->Parent());
        376         ASSERT_EQ(2, app2->DependOn().size());
        377         {
        378             auto const& depend = app2->DependOn();
        379 
        380             ASSERT_EQ("app1", (*depend.cbegin())->Name());
        381             ASSERT_EQ("mod1", (*std::next(depend.cbegin()))->Name());
        382         }
        383 
        384         ASSERT_FALSE(app2->IsCyclic());
        385         ASSERT_EQ(0, app2->Children().size());
        386     }
        387 }
        388 
        389 TEST(arch_pkg, ToPlantUML_Rectangle)
        390 {
        391     {
        392         auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple);
        393         auto const exp  = std::string{
        394             "rectangle \"A\" as A\n"
        395              "rectangle \"B\" as B"};
        396         ASSERT_EQ(exp, ToPlantUML_Rectangle(arch));
        397     }
        398     {
        399         auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_middle);
        400         auto const exp  = std::string{
        401             "rectangle \"mod2\" as ut_data___app1___mod2 {\n"
        402              "    rectangle \"mod2_1\" as ut_data___app1___mod2___mod2_1\n"
        403              "    rectangle \"mod2_2\" as ut_data___app1___mod2___mod2_2\n"
        404              "}"};
        405         ASSERT_EQ(exp, ToPlantUML_Rectangle(arch));
        406     }
        407     {
        408         auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_complex);
        409         auto const exp  = std::string{
        410             "rectangle \"app1\" as ut_data___app1 {\n"
        411              "    rectangle \"mod1\" as ut_data___app1___mod1\n"
        412              "    rectangle \"mod2\" as ut_data___app1___mod2 {\n"
        413              "        rectangle \"mod2_1\" as ut_data___app1___mod2___mod2_1\n"
        414              "        rectangle \"mod2_2\" as ut_data___app1___mod2___mod2_2\n"
        415              "    }\n"
        416              "}\n"
        417              "rectangle \"app2\" as ut_data___app2"};
        418         ASSERT_EQ(exp, ToPlantUML_Rectangle(arch));
        419     }
        420 }
        421 
        422 TEST(arch_pkg, ToPlantUML_Rectangle2)
        423 {
        424     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_complex);
        425     auto const exp  = std::string{
        426         "ut_data___app1 \"2\" -[#orange]-> ut_data___app1___mod1\n"
        427          "ut_data___app1___mod2___mod2_2 \"1\" -[#orange]-> ut_data___app1\n"
        428          "ut_data___app2 \"1\" -[#green]-> ut_data___app1\n"
        429          "ut_data___app1___mod1 \"1\" -[#green]-> ut_data___app1___mod2\n"
        430          "ut_data___app1___mod1 \"1\" -[#orange]-> ut_data___app1___mod2___mod2_2\n"
        431          "ut_data___app2 \"2\" -[#green]-> ut_data___app1___mod1\n"
        432          "ut_data___app1___mod2___mod2_1 \"1\" <-[#red]-> \"2\" ut_data___app1___mod2___mod2_2"};
        433 
        434     ASSERT_EQ(exp, ToPlantUML_Rectangle(arch, dep_rels_complex));
        435 }
        436 
        437 TEST(arch_pkg, HasCyclicDeps)
        438 {
        439     {
        440         auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple);
        441         ASSERT_FALSE(HasCyclicDeps(arch, dep_rels_simple));
        442     }
        443     {
        444         auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_middle);
        445         ASSERT_TRUE(HasCyclicDeps(arch, dep_rels_middle));
        446     }
        447     {
        448         auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_complex);
        449         ASSERT_TRUE(HasCyclicDeps(arch, dep_rels_complex));
        450     }
        451 }
        452 
        453 TEST(arch_pkg, FindArchPkg)
        454 {
        455     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple);
        456 
        457     {
        458         ArchPkg const* pkg_a = FindArchPkgByName(arch, "A");
        459         ASSERT_NE(nullptr, pkg_a);
        460         ASSERT_EQ("A", pkg_a->Name());
        461     }
        462     {
        463         ArchPkg const* pkg_a_f = FindArchPkgByFullName(arch, "A");
        464         ASSERT_NE(nullptr, pkg_a_f);
        465         ASSERT_EQ("A", pkg_a_f->FullName());
        466     }
        467     {
        468         ArchPkg const* pkg_b = FindArchPkgByName(arch, "B");
        469         ASSERT_NE(nullptr, pkg_b);
        470         ASSERT_EQ("B", pkg_b->Name());
        471     }
        472     {
        473         ArchPkg const* pkg_b_f = FindArchPkgByName(arch, "B");
        474 
        475         ASSERT_NE(nullptr, pkg_b_f);
        476         ASSERT_EQ("B", pkg_b_f->FullName());
        477     }
        478 }
        479 
        480 TEST(arch_pkg, FindArchPkg2)
        481 {
        482     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_simple2);
        483 
        484     {
        485         ArchPkg const* pkg_x = FindArchPkgByName(arch, "X");
        486         ASSERT_NE(nullptr, pkg_x);
        487         ASSERT_EQ("X", pkg_x->Name());
        488     }
        489     {
        490         ArchPkg const* pkg_x_f = FindArchPkgByFullName(arch, "X");
        491         ASSERT_NE(nullptr, pkg_x_f);
        492         ASSERT_EQ("X", pkg_x_f->FullName());
        493     }
        494     {
        495         ArchPkg const* pkg_a = FindArchPkgByName(arch, "A");
        496         ASSERT_NE(nullptr, pkg_a);
        497         ASSERT_EQ("A", pkg_a->Name());
        498     }
        499     {
        500         ArchPkg const* pkg_a_f = FindArchPkgByFullName(arch, "X/A");
        501         ASSERT_NE(nullptr, pkg_a_f);
        502         ASSERT_EQ("X/A", pkg_a_f->FullName());
        503     }
        504     {
        505         ArchPkg const* pkg_y = FindArchPkgByName(arch, "Y");
        506         ASSERT_EQ(nullptr, pkg_y);
        507     }
        508     {
        509         ArchPkg const* pkg_y_f = FindArchPkgByFullName(arch, "Y");
        510         ASSERT_EQ(nullptr, pkg_y_f);
        511     }
        512 }
        513 
        514 TEST(arch_pkg, FindArchPkg3)
        515 {
        516     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels_complex);
        517 
        518     {
        519         ArchPkg const* pkg_app1 = FindArchPkgByName(arch, "app1");
        520         ASSERT_NE(nullptr, pkg_app1);
        521         ASSERT_EQ("app1", pkg_app1->Name());
        522         ASSERT_EQ("ut_data/app1", pkg_app1->FullName());
        523     }
        524     {
        525         ArchPkg const* pkg_app1_f = FindArchPkgByFullName(arch, "ut_data/app1");
        526         ASSERT_NE(nullptr, pkg_app1_f);
        527         ASSERT_EQ("app1", pkg_app1_f->Name());
        528         ASSERT_EQ("ut_data/app1", pkg_app1_f->FullName());
        529     }
        530     {
        531         ArchPkg const* pkg_mod2_1 = FindArchPkgByName(arch, "mod2_1");
        532         ASSERT_NE(nullptr, pkg_mod2_1);
        533         ASSERT_EQ("mod2_1", pkg_mod2_1->Name());
        534         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod2/mod2_1", pkg_mod2_1->FullName());
        535     }
        536     {
        537         ArchPkg const* pkg_mod2_1_f = FindArchPkgByFullName(arch, "ut_data/app1/mod2/mod2_1");
        538         ASSERT_NE(nullptr, pkg_mod2_1_f);
        539         ASSERT_EQ("mod2_1", pkg_mod2_1_f->Name());
        540         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod2/mod2_1", pkg_mod2_1_f->FullName());
        541     }
        542 }
        543 }  // namespace
        544 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/ut/cpp_deps_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "cpp_deps.h"
          4 #include "cpp_dir.h"
          5 #include "cpp_src.h"
          6 
          7 namespace Dependency {
          8 namespace {
          9 
         10 TEST(cpp_deps, GenDepRels)
         11 {
         12     using FileUtils::Paths_t;
         13 
         14     auto const [dirs, srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/"});
         15     auto const assign       = FileUtils::AssginSrcsToDirs(dirs, srcs);
         16     auto const srcs_db      = FileUtils::GenFilename2Path(srcs);
         17 
         18     auto cpp_dirs = CppDirs_t{};
         19 
         20     for (auto const& pair : assign) {
         21         cpp_dirs.emplace_back(CppDir{pair.first, GenCppSrc(pair.second, srcs_db)});
         22     }
         23 
         24     auto dep_all = GenDepRels(cpp_dirs);
         25 
         26     auto const app1   = std::string{"ut_data/app1"};
         27     auto const mod1   = std::string{"ut_data/app1/mod1"};
         28     auto const mod2_2 = std::string{"ut_data/app1/mod2/mod2_2"};
         29 
         30     {
         31         auto const app1_mod1 = FindDepRels(dep_all, app1, mod1);
         32         ASSERT_EQ("ut_data/app1", app1_mod1->PackageA);
         33         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod1", app1_mod1->PackageB);
         34 
         35         ASSERT_EQ(6, app1_mod1->CountAtoB);
         36         ASSERT_EQ(1, app1_mod1->CountBtoA);
         37 
         38         auto const app1_mod1_IncsAtoB
         39             = Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"};
         40 
         41         ASSERT_EQ(app1_mod1_IncsAtoB, app1_mod1->IncsAtoB);
         42         ASSERT_EQ(Paths_t{"ut_data/app1/a_1_cpp.h"}, app1_mod1->IncsBtoA);
         43     }
         44     {
         45         auto const app1_mod1 = FindDepRels(dep_all, mod1, app1);
         46         ASSERT_EQ("ut_data/app1", app1_mod1->PackageA);
         47         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod1", app1_mod1->PackageB);
         48 
         49         ASSERT_EQ(6, app1_mod1->CountAtoB);
         50         ASSERT_EQ(1, app1_mod1->CountBtoA);
         51 
         52         auto const app1_mod1_IncsAtoB
         53             = Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"};
         54 
         55         ASSERT_EQ(app1_mod1_IncsAtoB, app1_mod1->IncsAtoB);
         56         ASSERT_EQ(Paths_t{"ut_data/app1/a_1_cpp.h"}, app1_mod1->IncsBtoA);
         57     }
         58     {
         59         auto const mod1_mod2_2 = FindDepRels(dep_all, mod1, mod2_2);
         60         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod1", mod1_mod2_2->PackageA);
         61         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod2/mod2_2", mod1_mod2_2->PackageB);
         62 
         63         ASSERT_EQ(1, mod1_mod2_2->CountAtoB);
         64         ASSERT_EQ(4, mod1_mod2_2->CountBtoA);
         65 
         66         auto const mod1_mod2_2_IncsAtoB = Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"};
         67 
         68         ASSERT_EQ(mod1_mod2_2_IncsAtoB, mod1_mod2_2->IncsAtoB);
         69         ASSERT_EQ((Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}),
         70                   mod1_mod2_2->IncsBtoA);
         71     }
         72     {
         73         auto const app1_mod2_2 = FindDepRels(dep_all, app1, mod2_2);
         74         ASSERT_EQ("ut_data/app1", app1_mod2_2->PackageA);
         75         ASSERT_EQ("ut_data/app1/mod2/mod2_2", app1_mod2_2->PackageB);
         76 
         77         ASSERT_EQ(3, app1_mod2_2->CountAtoB);
         78         ASSERT_EQ(2, app1_mod2_2->CountBtoA);
         79 
         80         ASSERT_EQ(Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"}, app1_mod2_2->IncsAtoB);
         81 
         82         auto const app1_mod2_2_IncsAtoB = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_cpp.h"};
         83         ASSERT_EQ(app1_mod2_2_IncsAtoB, app1_mod2_2->IncsBtoA);
         84     }
         85 }
         86 }  // namespace
         87 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/ut/cpp_dir_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "cpp_dir.h"
          4 #include "cpp_src.h"
          5 
          6 namespace Dependency {
          7 namespace {
          8 
          9 TEST(cpp_dir, GenCppDirs)
         10 {
         11     using FileUtils::Paths_t;
         12 
         13     auto const [dirs, srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1", "ut_data/app2///"});
         14     auto const db           = FileUtils::GenFilename2Path(srcs);
         15     auto const cpp_dirs     = CppDirs_t{GenCppDirs(srcs, db)};
         16 
         17     auto a_1_cpp = std::find_if(cpp_dirs.begin(), cpp_dirs.end(),
         18                                 [](CppDir const& pkg) { return pkg.Path() == "a_1_cpp.cpp"; });
         19     ASSERT_NE(a_1_cpp, cpp_dirs.end());
         20 
         21     auto a_1_cpp_h = std::find_if(cpp_dirs.begin(), cpp_dirs.end(),
         22                                   [](CppDir const& pkg) { return pkg.Path() == "a_1_cpp.h"; });
         23     ASSERT_NE(a_1_cpp_h, cpp_dirs.end());
         24 
         25     auto mod2_2_1_h = std::find_if(cpp_dirs.begin(), cpp_dirs.end(),
         26                                    [](CppDir const& pkg) { return pkg.Path() == "mod2_2_1.h"; });
         27     ASSERT_NE(mod2_2_1_h, cpp_dirs.end());
         28 
         29     auto ret_a_1_cpp = std::pair<uint32_t, Paths_t>{a_1_cpp->DependsOn(*a_1_cpp_h)};
         30     ASSERT_EQ(0, ret_a_1_cpp.first);
         31 
         32     auto ret_mod2_2_1_h = std::pair<uint32_t, Paths_t>{mod2_2_1_h->DependsOn(*a_1_cpp_h)};
         33     ASSERT_EQ(1, ret_mod2_2_1_h.first);
         34 }
         35 
         36 TEST(cpp_dir, CppDir)
         37 {
         38     using FileUtils::Paths_t;
         39 
         40     auto const [dirs, srcs]  = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1", "ut_data/app2///"});
         41     auto const packagae_srcs = FileUtils::AssginSrcsToDirs(dirs, srcs);
         42     auto const db            = FileUtils::GenFilename2Path(srcs);
         43 
         44     auto mod1 = CppDir{"ut_data/app1/mod1", GenCppSrc(packagae_srcs.at("ut_data/app1/mod1"), db)};
         45     auto app2 = CppDir{"ut_data/app2", GenCppSrc(packagae_srcs.at("ut_data/app2"), db)};
         46 
         47     ASSERT_TRUE(mod1.Contains("ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp"));
         48     ASSERT_TRUE(mod1.Contains("ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp"));
         49     ASSERT_TRUE(mod1.Contains("ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"));
         50     ASSERT_FALSE(mod1.Contains("ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp"));
         51 
         52     auto ret_mod1 = std::pair<uint32_t, Paths_t>{mod1.DependsOn(app2)};
         53     ASSERT_EQ(0, ret_mod1.first);
         54     ASSERT_EQ(0, ret_mod1.second.size());
         55 
         56     auto ret_app2 = std::pair<uint32_t, Paths_t>{app2.DependsOn(mod1)};
         57     ASSERT_EQ(4, ret_app2.first);
         58     ASSERT_EQ((Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}),
         59               ret_app2.second);
         60 }
         61 
         62 TEST(cpp_dir, operator_eq_tl)
         63 {
         64     auto const [dirs, srcs]  = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1", "ut_data/app2///"});
         65     auto const packagae_srcs = FileUtils::AssginSrcsToDirs(dirs, srcs);
         66     auto const db            = FileUtils::GenFilename2Path(srcs);
         67 
         68     auto mod1_0 = CppDir{"ut_data/app1/mod1", GenCppSrc(packagae_srcs.at("ut_data/app1/mod1"), db)};
         69     auto mod1_1 = CppDir{"ut_data/app1/mod1", GenCppSrc(packagae_srcs.at("ut_data/app1/mod1"), db)};
         70     auto app2   = CppDir{"ut_data/app2", GenCppSrc(packagae_srcs.at("ut_data/app2"), db)};
         71 
         72     ASSERT_EQ(mod1_0, mod1_0);
         73     ASSERT_EQ(mod1_0, mod1_1);
         74     ASSERT_EQ(mod1_1, mod1_0);
         75 
         76     ASSERT_NE(mod1_0, app2);
         77     ASSERT_LT(mod1_0, app2);
         78     ASSERT_GT(app2, mod1_0);
         79 }
         80 }  // namespace
         81 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/ut/cpp_src_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "cpp_src.h"
          4 
          5 namespace Dependency {
          6 namespace {
          7 
          8 TEST(cpp_src, CppSrc)
          9 {
         10     using FileUtils::Paths_t;
         11 
         12     auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1"});
         13     auto const db                   = FileUtils::GenFilename2Path(act_srcs);
         14     auto const cpp_src              = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.c", db};
         15 
         16     auto const exp_incs = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.h",
         17                                   "ut_data/app1/a_1_cpp.h",
         18                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
         19                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
         20                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
         21                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"};
         22     ASSERT_EQ(cpp_src.GetIncs(), exp_incs);
         23 
         24     auto const exp_not_found = Paths_t{"stdio.h", "string.h"};
         25     ASSERT_EQ(cpp_src.GetIncsNotFound(), exp_not_found);
         26 
         27     auto const cpp_src2 = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_cpp.h", db};
         28 
         29     auto const exp_incs2 = Paths_t{
         30         "ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
         31         "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h", "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"};
         32     ASSERT_EQ(cpp_src2.GetIncs(), exp_incs2);
         33 
         34     ASSERT_EQ(cpp_src2.GetIncsNotFound(), Paths_t{});
         35 
         36     auto const cpp_src3 = CppSrc{"ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp", db};
         37 
         38     ASSERT_EQ(cpp_src3.GetIncs(), Paths_t{});
         39 
         40     ASSERT_EQ(cpp_src3.GetIncsNotFound(), Paths_t{});
         41 }
         42 
         43 TEST(cpp_src, GenCppSrc)
         44 {
         45     using FileUtils::Paths_t;
         46 
         47     auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1"});
         48     auto const db                   = FileUtils::GenFilename2Path(act_srcs);
         49     auto const srcs
         50         = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp"};
         51     auto const cpp_srcs_act = GenCppSrc(srcs, db);
         52 
         53     ASSERT_EQ(cpp_srcs_act.size(), 3);
         54 
         55     Paths_t const exp_incs[]{
         56         {"ut_data/app1/a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
         57          "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
         58          "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
         59         {"ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
         60          "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h", "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
         61         {},
         62     };
         63     Paths_t const exp_not_found[]{
         64         {"stdio.h", "string.h"},
         65         {"stdio.h", "string.h"},
         66         {},
         67     };
         68 
         69     auto it_exp_srcs      = srcs.cbegin();
         70     auto it_exp_incs      = std::cbegin(exp_incs);
         71     auto it_exp_not_found = std::cbegin(exp_not_found);
         72 
         73     for (auto it_act = cpp_srcs_act.cbegin(); it_act != cpp_srcs_act.cend(); ++it_act) {
         74         ASSERT_EQ(*it_exp_srcs, it_act->Path());
         75         ASSERT_EQ(*it_exp_incs, it_act->GetIncs());
         76         ASSERT_EQ(*it_exp_not_found, it_act->GetIncsNotFound());
         77 
         78         ++it_exp_srcs;
         79         ++it_exp_incs;
         80         ++it_exp_not_found;
         81     }
         82 
         83     ASSERT_EQ(it_exp_srcs, srcs.cend());
         84     ASSERT_EQ(it_exp_incs, std::cend(exp_incs));
         85     ASSERT_EQ(it_exp_not_found, std::cend(exp_not_found));
         86 }
         87 
         88 TEST(cpp_src, operator_equal)
         89 {
         90     using FileUtils::Paths_t;
         91 
         92     auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1"});
         93     auto const db                   = FileUtils::GenFilename2Path(act_srcs);
         94 
         95     auto const cpp_src_0 = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.c", db};
         96     auto const cpp_src_1 = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.c", db};
         97     auto const cpp_src_2 = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.h", db};
         98 
         99     ASSERT_EQ(cpp_src_0, cpp_src_0);
        100     ASSERT_EQ(cpp_src_0, cpp_src_1);
        101     ASSERT_EQ(cpp_src_1, cpp_src_0);
        102     ASSERT_NE(cpp_src_0, cpp_src_2);
        103 }
        104 
        105 TEST(cpp_src, operator_lt)
        106 {
        107     using FileUtils::Paths_t;
        108 
        109     auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1"});
        110     auto const db                   = FileUtils::GenFilename2Path(act_srcs);
        111 
        112     auto const cpp_src_0 = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.c", db};
        113     auto const cpp_src_1 = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.h", db};
        114 
        115     ASSERT_LT(cpp_src_0, cpp_src_1);
        116     ASSERT_GT(cpp_src_1, cpp_src_0);
        117 }
        118 
        119 TEST(cpp_src, ToString)
        120 {
        121     using FileUtils::Paths_t;
        122 
        123     auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"ut_data/app1"});
        124     auto const db                   = FileUtils::GenFilename2Path(act_srcs);
        125     auto const cpp_src              = CppSrc{"ut_data/app1/a_1_c.c", db};
        126 
        127     auto const exp = std::string_view{
        128         "file              : a_1_c.c\n"
        129         "path              : ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        130         "include           : ut_data/app1/a_1_c.h ut_data/app1/a_1_cpp.h "
        131         "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp "
        132         "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        133         "include not found : stdio.h string.h\n"};
        134 
        135     ASSERT_EQ(ToStringCppSrc(cpp_src), exp);
        136 }
        137 
        138 TEST(cpp_src, GetCppDirsSrcs)
        139 {
        140     using FileUtils::Paths_t;
        141 
        142     {
        143         auto const exp_dirs = Paths_t{"ut_data/app1",
        144                                       "ut_data/app1/mod1",
        145                                       "ut_data/app1/mod2",
        146                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        147                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2",
        148                                       "ut_data/app2"};
        149 
        150         auto const exp_srcs = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c",
        151                                       "ut_data/app1/a_1_c.h",
        152                                       "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        153                                       "ut_data/app1/a_1_cpp.h",
        154                                       "ut_data/app1/a_2_c.C",
        155                                       "ut_data/app1/a_2_c.H",
        156                                       "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx",
        157                                       "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp",
        158                                       "ut_data/app1/a_3_cpp.cc",
        159                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        160                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        161                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
        162                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp",
        163                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
        164                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp",
        165                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp",
        166                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp",
        167                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h",
        168                                       "ut_data/app2/b_1.cpp",
        169                                       "ut_data/app2/b_1.h"};
        170 
        171         auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"./ut_data/app1", "ut_data/app2///"});
        172 
        173         ASSERT_EQ(act_dirs, exp_dirs);
        174         ASSERT_EQ(act_srcs, exp_srcs);
        175     }
        176     {
        177         auto const exp_dirs = Paths_t{"ut_data",
        178                                       "ut_data/app1",
        179                                       "ut_data/app1/mod1",
        180                                       "ut_data/app1/mod2",
        181                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        182                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2",
        183                                       "ut_data/app2"};
        184 
        185         auto const exp_srcs             = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c",
        186                                       "ut_data/app1/a_1_c.h",
        187                                       "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        188                                       "ut_data/app1/a_1_cpp.h",
        189                                       "ut_data/app1/a_2_c.C",
        190                                       "ut_data/app1/a_2_c.H",
        191                                       "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx",
        192                                       "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp",
        193                                       "ut_data/app1/a_3_cpp.cc",
        194                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        195                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        196                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
        197                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp",
        198                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
        199                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp",
        200                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp",
        201                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp",
        202                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h",
        203                                       "ut_data/app2/b_1.cpp",
        204                                       "ut_data/app2/b_1.h"};
        205         auto const [act_dirs, act_srcs] = GetCppDirsSrcs({"././ut_data"});
        206 
        207         ASSERT_EQ(act_dirs, exp_dirs);
        208         ASSERT_EQ(act_srcs, exp_srcs);
        209     }
        210 }
        211 }  // namespace
        212 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/ut/deps_scenario_ut.cpp

          1 #include <sstream>
          2 
          3 #include "gtest_wrapper.h"
          4 
          5 #include "dependency/deps_scenario.h"
          6 #include "file_utils/load_store.h"
          7 #include "file_utils/load_store_row.h"
          8 
          9 namespace Dependency {
         10 namespace {
         11 
         12 TEST(deps_scenario, PkgGenerator)
         13 {
         14     using FileUtils::Paths_t;
         15 
         16     {
         17         auto pg  = PkgGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", true, Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
         18         auto exp = std::string{
         19             "#dir\n"
         20             "ut_data/app1\n"
         21             "ut_data/app1/mod1\n"
         22             "ut_data/app1/mod2\n"
         23             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
         24             "ut_data/app1/mod2/mod2_2\n"
         25             "ut_data/app2\n"};
         26 
         27         auto ss = std::ostringstream{};
         28 
         29         pg.Output(ss);
         30         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
         31     }
         32     {
         33         auto pg  = PkgGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", false, Paths_t{}, ""};
         34         auto exp = std::string{
         35             "#dir\n"
         36             "ut_data/app1\n"
         37             "ut_data/app1/mod1\n"
         38             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
         39             "ut_data/app2\n"};
         40 
         41         auto ss = std::ostringstream{};
         42 
         43         pg.Output(ss);
         44         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
         45     }
         46 }
         47 
         48 TEST(deps_scenario, PkgGenerator2)
         49 {
         50     using FileUtils::Paths_t;
         51 
         52     {
         53         auto pg  = PkgGenerator{"", false, Paths_t{"ut_data/app1", "ut_data/app2"}, ""};
         54         auto exp = std::string{
         55             "#dir\n"
         56             "ut_data/app1\n"
         57             "ut_data/app2\n"};
         58 
         59         auto ss = std::ostringstream{};
         60 
         61         pg.Output(ss);
         62         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
         63     }
         64     {
         65         auto pg  = PkgGenerator{"", false, Paths_t{"ut_data/app1", "ut_data/app2"}, "hehe"};
         66         auto exp = std::string{
         67             "#dir\n"
         68             "ut_data/app1\n"
         69             "ut_data/app2\n"};
         70 
         71         auto ss = std::ostringstream{};
         72 
         73         pg.Output(ss);
         74         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
         75     }
         76     {
         77         auto pg  = PkgGenerator{"", false, Paths_t{"ut_data/app1", "ut_data/app2"}, ".*/app2"};
         78         auto exp = std::string{
         79             "#dir\n"
         80             "ut_data/app1\n"};
         81 
         82         auto ss = std::ostringstream{};
         83 
         84         pg.Output(ss);
         85         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
         86     }
         87     {
         88         auto pg  = PkgGenerator{"", true, Paths_t{"ut_data/app1", "ut_data/app2"}, ""};
         89         auto exp = std::string{
         90             "#dir\n"
         91             "ut_data/app1\n"
         92             "ut_data/app1/mod1\n"
         93             "ut_data/app1/mod2\n"
         94             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
         95             "ut_data/app1/mod2/mod2_2\n"
         96             "ut_data/app2\n"};
         97 
         98         auto ss = std::ostringstream{};
         99 
        100         pg.Output(ss);
        101         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        102     }
        103     {
        104         auto pg  = PkgGenerator{"", true, Paths_t{"ut_data/app1", "ut_data/app2"}, ".*/mod2/.*"};
        105         auto exp = std::string{
        106             "#dir\n"
        107             "ut_data/app1\n"
        108             "ut_data/app1/mod1\n"
        109             "ut_data/app1/mod2\n"
        110             "ut_data/app2\n"};
        111 
        112         auto ss = std::ostringstream{};
        113 
        114         pg.Output(ss);
        115         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        116     }
        117 
        118     auto exception_occured = false;
        119     try {
        120         auto pg = PkgGenerator{"", true, Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app2"}, ""};
        121     }
        122     catch (std::runtime_error const& e) {
        123         exception_occured = true;
        124         ASSERT_STREQ("ut_data/app1/a_1_c.c not directory", e.what());
        125     }
        126     ASSERT_TRUE(exception_occured);
        127 }
        128 
        129 TEST(deps_scenario, SrcsGenerator)
        130 {
        131     using FileUtils::Paths_t;
        132 
        133     {
        134         auto sg = SrcsGenerator{
        135             "", true, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", "ut_data/app1/mod2/mod2_2"}, ""};
        136 
        137         // clang-format off
        138         auto exp = std::string {
        139             "---\n"
        140             "mod2_1_1.cpp\n"
        141             "file              : mod2_1_1.cpp\n"
        142             "path              : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        143             "include           : \n"
        144             "include not found : \n"
        145             "\n"
        146             "---\n"
        147             "mod2_1_1.h\n"
        148             "file              : mod2_1_1.h\n"
        149             "path              : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        150             "include           : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        151             "include not found : a_1_cpp.h\n"
        152             "\n"
        153             "---\n"
        154             "mod2_2_1.cpp\n"
        155             "file              : mod2_2_1.cpp\n"
        156             "path              : ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        157             "include           : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        158             "include not found : a_1_cpp.h\n"
        159             "\n"
        160             "---\n"
        161             "mod2_2_1.h\n"
        162             "file              : mod2_2_1.h\n"
        163             "path              : ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        164             "include           : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        165             "include not found : a_1_cpp.h\n"
        166             "\n"};
        167         // clang-format on
        168 
        169         auto ss = std::ostringstream{};
        170 
        171         sg.Output(ss);
        172         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        173     }
        174     {
        175         auto sg = SrcsGenerator{
        176             "", true, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", "ut_data/app1/mod2/mod2_2"}, ".*/mod2_2"};
        177 
        178         auto exp = std::string{
        179             "---\n"
        180             "mod2_1_1.cpp\n"
        181             "file              : mod2_1_1.cpp\n"
        182             "path              : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        183             "include           : \n"
        184             "include not found : \n"
        185             "\n"
        186             "---\n"
        187             "mod2_1_1.h\n"
        188             "file              : mod2_1_1.h\n"
        189             "path              : ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        190             "include           : \n"
        191             "include not found : mod2_2_1.h\n"
        192             "\n"};
        193 
        194         auto ss = std::ostringstream{};
        195 
        196         sg.Output(ss);
        197         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        198     }
        199 }
        200 
        201 TEST(deps_scenario, Pkg2SrcsGenerator)
        202 {
        203     using FileUtils::Paths_t;
        204 
        205     auto exception_occured = false;
        206 
        207     try {
        208         auto p2sg
        209             = Pkg2SrcsGenerator{"ut_data/app1/a_1_c.c", false, false, Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
        210     }
        211     catch (std::runtime_error const& e) {
        212         exception_occured = true;
        213         ASSERT_STREQ("ut_data/app1/a_1_c.c is illegal", e.what());
        214     }
        215     ASSERT_TRUE(exception_occured);
        216 
        217     {
        218         auto p2sg = Pkg2SrcsGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", true, false,
        219                                       Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
        220 
        221         auto exp = std::string{
        222             "#dir2srcs\n"
        223             "ut_data/app1\n"
        224             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        225             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        226             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        227             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        228             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        229             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        230             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        231             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        232             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        233             "\n"
        234             "ut_data/app1/mod1\n"
        235             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        236             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        237             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        238             "\n"
        239             "ut_data/app1/mod2\n"
        240             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        241             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        242             "\n"
        243             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
        244             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        245             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        246             "\n"
        247             "ut_data/app1/mod2/mod2_2\n"
        248             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        249             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        250             "\n"
        251             "ut_data/app2\n"
        252             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        253             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        254             "\n"};
        255 
        256         auto ss = std::ostringstream{};
        257 
        258         p2sg.Output(ss);
        259         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        260     }
        261     {
        262         auto p2sg = Pkg2SrcsGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", true, false,
        263                                       Paths_t{"ut_data/app3/"}, ".*/mod2\\b.*"};
        264 
        265         auto exp = std::string{
        266             "#dir2srcs\n"
        267             "ut_data/app1\n"
        268             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        269             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        270             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        271             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        272             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        273             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        274             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        275             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        276             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        277             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        278             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        279             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        280             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        281             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        282             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        283             "\n"
        284             "ut_data/app1/mod1\n"
        285             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        286             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        287             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        288             "\n"
        289             "ut_data/app2\n"
        290             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        291             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        292             "\n"};
        293 
        294         auto ss = std::ostringstream{};
        295 
        296         p2sg.Output(ss);
        297         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        298     }
        299     {
        300         auto p2sg = Pkg2SrcsGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", false, false,
        301                                       Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
        302 
        303         auto exp = std::string{
        304             "#dir2srcs\n"
        305             "ut_data/app1\n"
        306             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        307             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        308             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        309             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        310             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        311             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        312             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        313             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        314             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        315             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        316             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        317             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        318             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        319             "\n"
        320             "ut_data/app1/mod1\n"
        321             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        322             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        323             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        324             "\n"
        325             "ut_data/app1/mod2\n"
        326             "\n"
        327             "\n"
        328             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
        329             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        330             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        331             "\n"
        332             "ut_data/app2\n"
        333             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        334             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        335             "\n"};
        336 
        337         auto ss = std::ostringstream{};
        338 
        339         p2sg.Output(ss);
        340         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        341     }
        342     {
        343         auto p2sg = Pkg2SrcsGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", false, false,
        344                                       Paths_t{"ut_data/app3/"}, "ut_data/app2"};
        345 
        346         auto exp = std::string{
        347             "#dir2srcs\n"
        348             "no_package\n"
        349             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        350             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        351             "\n"
        352             "ut_data/app1\n"
        353             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        354             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        355             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        356             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        357             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        358             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        359             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        360             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        361             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        362             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        363             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        364             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        365             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        366             "\n"
        367             "ut_data/app1/mod1\n"
        368             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        369             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        370             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        371             "\n"
        372             "ut_data/app1/mod2\n"
        373             "\n"
        374             "\n"
        375             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
        376             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        377             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        378             "\n"};
        379 
        380         auto ss = std::ostringstream{};
        381 
        382         p2sg.Output(ss);
        383         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        384     }
        385 }
        386 
        387 TEST(deps_scenario, Pkg2SrcsGenerator2)
        388 {
        389     using FileUtils::Paths_t;
        390 
        391     {
        392         auto dirs2srcs_org_str = std::string{
        393             "#dir2srcs\n"
        394             "ut_data\n"
        395             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        396             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        397             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        398             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        399             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        400             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        401             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        402             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        403             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        404             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        405             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        406             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        407             "\n"
        408             "ut_data/app1/mod2\n"
        409             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        410             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        411             "\n"
        412             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
        413             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        414             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        415             "\n"
        416             "ut_data/app1/mod2/mod2_2\n"
        417             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        418             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        419             "\n"
        420             "ut_data/app2\n"
        421             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        422             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        423             "\n"};
        424 
        425         auto p2sg
        426             = Pkg2SrcsGenerator{"ut_data/load_store/dirs2srcs_org", true, false, Paths_t{}, ""};
        427 
        428         auto ss = std::ostringstream{};
        429 
        430         p2sg.Output(ss);
        431         ASSERT_EQ(dirs2srcs_org_str, ss.str());
        432     }
        433     {
        434         auto dirs2srcs_org_str = std::string{
        435             "#dir2srcs\n"
        436             "ut_data\n"
        437             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        438             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        439             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        440             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        441             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        442             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        443             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        444             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        445             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        446             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        447             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        448             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        449             "\n"
        450             "ut_data/app1\n"
        451             "\n"
        452             "\n"
        453             "ut_data/app1/mod2\n"
        454             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        455             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        456             "\n"
        457             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
        458             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        459             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        460             "\n"
        461             "ut_data/app1/mod2/mod2_2\n"
        462             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        463             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        464             "\n"
        465             "ut_data/app2\n"
        466             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        467             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        468             "\n"};
        469 
        470         auto const dirs = Paths_t{"ut_data", "ut_data/app1/mod2", "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        471                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2", "ut_data/app2"};
        472 
        473         auto p2sg = Pkg2SrcsGenerator{"", false, false, dirs, ""};
        474 
        475         auto ss = std::ostringstream{};
        476 
        477         p2sg.Output(ss);
        478         ASSERT_EQ(dirs2srcs_org_str, ss.str());
        479     }
        480     {
        481         auto p2sg = Pkg2SrcsGenerator{"", true, false, Paths_t{"ut_data"}, ""};
        482 
        483         auto const exp = std::string{
        484             "#dir2srcs\n"
        485             "ut_data/app1\n"
        486             "    ut_data/app1/a_1_c.c\n"
        487             "    ut_data/app1/a_1_c.h\n"
        488             "    ut_data/app1/a_1_cpp.cpp\n"
        489             "    ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        490             "    ut_data/app1/a_2_c.C\n"
        491             "    ut_data/app1/a_2_c.H\n"
        492             "    ut_data/app1/a_2_cpp.cxx\n"
        493             "    ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        494             "    ut_data/app1/a_3_cpp.cc\n"
        495             "\n"
        496             "ut_data/app1/mod1\n"
        497             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp\n"
        498             "    ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp\n"
        499             "    ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        500             "\n"
        501             "ut_data/app1/mod2\n"
        502             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp\n"
        503             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        504             "\n"
        505             "ut_data/app1/mod2/mod2_1\n"
        506             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp\n"
        507             "    ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        508             "\n"
        509             "ut_data/app1/mod2/mod2_2\n"
        510             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp\n"
        511             "    ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        512             "\n"
        513             "ut_data/app2\n"
        514             "    ut_data/app2/b_1.cpp\n"
        515             "    ut_data/app2/b_1.h\n"
        516             "\n"};
        517 
        518         auto ss = std::ostringstream{};
        519 
        520         p2sg.Output(ss);
        521         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        522     }
        523 }
        524 
        525 TEST(deps_scenario, Pkg2PkgGenerator)
        526 {
        527     using FileUtils::Paths_t;
        528 
        529     auto exception_occured = false;
        530     try {
        531         auto p2pg
        532             = Pkg2PkgGenerator{"ut_data/app1/a_1_c.c", false, false, Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
        533     }
        534     catch (std::runtime_error const& e) {
        535         exception_occured = true;
        536         ASSERT_STREQ("ut_data/app1/a_1_c.c is illegal", e.what());
        537     }
        538     ASSERT_TRUE(exception_occured);
        539 
        540     {
        541         auto p2pg = Pkg2PkgGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", true, false,
        542                                      Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
        543 
        544         // clang-format off
        545         auto exp = std::string {
        546             "#deps\n"
        547             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod1 : 6 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        548             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1 : 1 ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        549             "\n"
        550             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        551             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1 : 0 \n"
        552             "\n"
        553             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 3 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        554             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1 : 1 ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        555             "\n"
        556             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 3 ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        557             "ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app1 : 2 ut_data/app1/a_1_cpp.h\n"
        558             "\n"
        559             "ut_data/app1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        560             "ut_data/app2 -> ut_data/app1 : 3 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/a_2_cpp.hpp\n"
        561             "\n"
        562             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp\n"
        563             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod1 : 0 \n"
        564             "\n"
        565             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        566             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod1 : 2 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        567             "\n"
        568             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        569             "ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app1/mod1 : 4 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        570             "\n"
        571             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        572             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod1 : 4 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        573             "\n"
        574             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 0 \n"
        575             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        576             "\n"
        577             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 0 \n"
        578             "ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        579             "\n"
        580             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        581             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        582             "\n"
        583             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        584             "ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        585             "\n"
        586             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        587             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        588             "\n"
        589             "ut_data/app1/mod2/mod2_2 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        590             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_2 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        591             "\n"};
        592         // clang-format on
        593 
        594         auto ss = std::ostringstream{};
        595 
        596         p2pg.Output(ss);
        597         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        598     }
        599     {
        600         auto p2pg = Pkg2PkgGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", true, false,
        601                                      Paths_t{"ut_data/app3/"}, ".*/mod2\\b.*"};
        602 
        603         // clang-format off
        604         auto exp = std::string {
        605             "#deps\n"
        606             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod1 : 12 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        607             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1 : 4 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        608             "\n"
        609             "ut_data/app1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        610             "ut_data/app2 -> ut_data/app1 : 7 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/a_2_cpp.hpp ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        611             "\n"
        612             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        613             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod1 : 4 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        614             "\n"};
        615         // clang-format on
        616 
        617         auto ss = std::ostringstream{};
        618 
        619         p2pg.Output(ss);
        620         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        621     }
        622     {
        623         auto p2pg = Pkg2PkgGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", false, false,
        624                                      Paths_t{"ut_data/app3/"}, ""};
        625 
        626         // clang-format off
        627         auto exp = std::string {
        628             "#deps\n"
        629             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod1 : 10 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        630             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1 : 3 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        631             "\n"
        632             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        633             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1 : 0 \n"
        634             "\n"
        635             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 5 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        636             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1 : 2 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        637             "\n"
        638             "ut_data/app1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        639             "ut_data/app2 -> ut_data/app1 : 5 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/a_2_cpp.hpp ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        640             "\n"
        641             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        642             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod1 : 0 \n"
        643             "\n"
        644             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        645             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod1 : 2 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        646             "\n"
        647             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        648             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod1 : 4 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        649             "\n"
        650             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 0 \n"
        651             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        652             "\n"
        653             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        654             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        655             "\n"
        656             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app2 : 0 \n"
        657             "ut_data/app2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        658             "\n"};
        659         // clang-format on
        660 
        661         auto ss = std::ostringstream{};
        662 
        663         p2pg.Output(ss);
        664         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        665     }
        666     {
        667         auto p2pg = Pkg2PkgGenerator{"ut_data/load_store/pkg_org", false, false,
        668                                      Paths_t{"ut_data/app3/"}, "ut_data/app2"};
        669 
        670         // clang-format off
        671         auto exp = std::string {
        672             "#deps\n"
        673             "no_package -> ut_data/app1 : 5 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/a_2_cpp.hpp ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        674             "ut_data/app1 -> no_package : 0 \n"
        675             "\n"
        676             "no_package -> ut_data/app1/mod1 : 4 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        677             "ut_data/app1/mod1 -> no_package : 0 \n"
        678             "\n"
        679             "no_package -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        680             "ut_data/app1/mod2 -> no_package : 0 \n"
        681             "\n"
        682             "no_package -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 2 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        683             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> no_package : 0 \n"
        684             "\n"
        685             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod1 : 10 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        686             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1 : 3 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        687             "\n"
        688             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        689             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1 : 0 \n"
        690             "\n"
        691             "ut_data/app1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 5 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        692             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1 : 2 ut_data/app1/a_1_cpp.h ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h\n"
        693             "\n"
        694             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        695             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod1 : 0 \n"
        696             "\n"
        697             "ut_data/app1/mod1 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 1 ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h\n"
        698             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod1 : 2 ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp\n"
        699             "\n"
        700             "ut_data/app1/mod2 -> ut_data/app1/mod2/mod2_1 : 0 \n"
        701             "ut_data/app1/mod2/mod2_1 -> ut_data/app1/mod2 : 0 \n"
        702             "\n"};
        703         // clang-format on
        704 
        705         auto ss = std::ostringstream{};
        706 
        707         p2pg.Output(ss);
        708         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        709     }
        710 }
        711 
        712 TEST(deps_scenario, ArchGenerator)
        713 {
        714     using FileUtils::Paths_t;
        715 
        716     auto exception_occured = false;
        717     try {
        718         auto ag = ArchGenerator{"ut_data/load_store/arch_org"};
        719     }
        720     catch (std::runtime_error const& e) {
        721         exception_occured = true;
        722         ASSERT_STREQ("IN-file load error", e.what());
        723     }
        724     ASSERT_TRUE(exception_occured);
        725 
        726     {
        727         auto ag = ArchGenerator{"ut_data/load_store/deps_org"};
        728         auto ss = std::stringstream{};
        729 
        730         ag.Output(ss);
        731 
        732         auto act = std::optional<std::vector<std::string>>{FileUtils::Load_Strings(ss)};
        733 
        734         auto exp = std::optional<std::vector<std::string>>{
        735             FileUtils::LoadFromFile("ut_data/load_store/arch_org", FileUtils::Load_Strings)};
        736 
        737         ASSERT_TRUE(exp);
        738 
        739         ASSERT_EQ(*act, *exp);
        740     }
        741 }
        742 
        743 TEST(deps_scenario, Arch2PUmlGenerator)
        744 {
        745     auto exception_occured = false;
        746     try {
        747         auto ag = Arch2PUmlGenerator{"ut_data/load_store/arch_org"};
        748     }
        749     catch (std::runtime_error const& e) {
        750         exception_occured = true;
        751         ASSERT_STREQ("IN-file load error", e.what());
        752     }
        753     ASSERT_TRUE(exception_occured);
        754 
        755     {
        756         auto ag = Arch2PUmlGenerator{"ut_data/load_store/deps_org"};
        757         auto ss = std::stringstream{};
        758 
        759         ag.Output(ss);
        760 
        761         auto exp = std::string{
        762             "@startuml\n"
        763             "scale max 730 width\n"
        764             "rectangle \"app1\" as ut_data___app1 {\n"
        765             "    rectangle \"mod1\" as ut_data___app1___mod1\n"
        766             "    rectangle \"mod2\" as ut_data___app1___mod2 {\n"
        767             "        rectangle \"mod2_1\" as ut_data___app1___mod2___mod2_1\n"
        768             "        rectangle \"mod2_2\" as ut_data___app1___mod2___mod2_2\n"
        769             "    }\n"
        770             "}\n"
        771             "rectangle \"app2\" as ut_data___app2\n"
        772             "\n"
        773             "ut_data___app1 \"2\" -[#orange]-> ut_data___app1___mod1\n"
        774             "ut_data___app1___mod2___mod2_2 \"1\" -[#orange]-> ut_data___app1\n"
        775             "ut_data___app2 \"1\" -[#green]-> ut_data___app1\n"
        776             "ut_data___app1___mod1 \"1\" -[#green]-> ut_data___app1___mod2\n"
        777             "ut_data___app1___mod1 \"1\" -[#orange]-> ut_data___app1___mod2___mod2_2\n"
        778             "ut_data___app2 \"2\" -[#green]-> ut_data___app1___mod1\n"
        779             "ut_data___app1___mod2___mod2_1 \"1\" <-[#red]-> \"2\" ut_data___app1___mod2___mod2_2\n"
        780             "\n"
        781             "@enduml\n"};
        782 
        783         ASSERT_EQ(exp, ss.str());
        784     }
        785 }
        786 
        787 TEST(deps_scenario, CyclicGenerator)
        788 {
        789     auto exception_occured = false;
        790     try {
        791         auto cg = CyclicGenerator{"ut_data/load_store/arch_org"};
        792     }
        793     catch (std::runtime_error const& e) {
        794         exception_occured = true;
        795         ASSERT_STREQ("IN-file load error", e.what());
        796     }
        797     ASSERT_TRUE(exception_occured);
        798 
        799     {
        800         auto cg = CyclicGenerator{"ut_data/load_store/deps_org"};
        801         auto ss = std::stringstream{};
        802 
        803         ASSERT_FALSE(cg.Output(ss));
        804 
        805         ASSERT_EQ("cyclic dependencies found\n", ss.str());
        806     }
        807     {
        808         auto cg = CyclicGenerator{"ut_data/load_store/deps_org2"};
        809         auto ss = std::stringstream{};
        810 
        811         ASSERT_TRUE(cg.Output(ss));
        812 
        813         ASSERT_EQ("cyclic dependencies not found\n", ss.str());
        814     }
        815 }
        816 }  // namespace
        817 }  // namespace Dependency

example/deps/dependency/ut/load_store_format_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "file_utils/load_store.h"
          4 #include "file_utils/load_store_row.h"
          5 #include "load_store_format.h"
          6 
          7 namespace Dependency {
          8 namespace {
          9 
         10 TEST(load_store_format, Paths_t)
         11 {
         12     using FileUtils::Paths_t;
         13 
         14     auto const pkg_org = std::string{"ut_data/load_store/pkg_org"};
         15     auto const pkg_act = std::string{"ut_data/load_store/pkg_act"};
         16 
         17     FileUtils::RemoveFile(pkg_act);
         18 
         19     auto const dir_in
         20         = Paths_t{"ut_data/app1", "ut_data/app1/mod1", "ut_data/app1/mod2/mod2_1", "ut_data/app2"};
         21 
         22     // ディレクトリなのでエラーなはず
         23     ASSERT_FALSE(FileUtils::StoreToFile("ut_data/app1", dir_in, StoreToStream));
         24 
         25     ASSERT_TRUE(FileUtils::StoreToFile(pkg_act, dir_in, StoreToStream));
         26 
         27     auto dir_out0 = std::optional<Paths_t>{FileUtils::LoadFromFile(pkg_org, Load_Paths)};
         28     ASSERT_TRUE(dir_out0);
         29 
         30     auto dir_out1 = std::optional<Paths_t>{FileUtils::LoadFromFile(pkg_act, Load_Paths)};
         31     ASSERT_TRUE(dir_out1);
         32 
         33     ASSERT_EQ(dir_in, *dir_out0);
         34     ASSERT_EQ(dir_in, *dir_out1);
         35 
         36     FileUtils::RemoveFile(pkg_act);
         37 }
         38 
         39 TEST(load_store_format, Dirs2Srcs_t)
         40 {
         41     auto const dirs2srcs_org = std::string{"ut_data/load_store/dirs2srcs_org"};
         42     auto const dirs2srcs_act = std::string{"ut_data/load_store/dirs2srcs_act"};
         43 
         44     FileUtils::RemoveFile(dirs2srcs_act);
         45 
         46     const auto dir2srcs_in = FileUtils::Dirs2Srcs_t{
         47         {"ut_data",
         48          {"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
         49           "ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/a_2_c.C", "ut_data/app1/a_2_c.H",
         50           "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx", "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp", "ut_data/app1/a_3_cpp.cc",
         51           "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
         52           "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}},
         53         {"ut_data/app1/mod2", {"ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp"}},
         54         {"ut_data/app1/mod2/mod2_1",
         55          {"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}},
         56         {"ut_data/app1/mod2/mod2_2",
         57          {"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"}},
         58         {"ut_data/app2", {"ut_data/app2/b_1.cpp", "ut_data/app2/b_1.h"}},
         59     };
         60 
         61     // ディレクトリなのでエラーなはず
         62     ASSERT_FALSE(FileUtils::StoreToFile("ut_data/app1", dir2srcs_in, StoreToStream));
         63 
         64     ASSERT_TRUE(FileUtils::StoreToFile(dirs2srcs_act, dir2srcs_in, StoreToStream));
         65 
         66     auto dir2srcs_out0 = std::optional<FileUtils::Dirs2Srcs_t>{
         67         FileUtils::LoadFromFile(dirs2srcs_org, Load_Dirs2Srcs)};
         68     ASSERT_TRUE(dir2srcs_out0);
         69 
         70     auto dir2srcs_out1 = std::optional<FileUtils::Dirs2Srcs_t>{
         71         FileUtils::LoadFromFile(dirs2srcs_act, Load_Dirs2Srcs)};
         72     ASSERT_TRUE(dir2srcs_out1);
         73 
         74     ASSERT_EQ(dir2srcs_in, *dir2srcs_out0);
         75     ASSERT_EQ(dir2srcs_in, *dir2srcs_out1);
         76 
         77     FileUtils::RemoveFile(dirs2srcs_act);
         78 }
         79 
         80 namespace {
         81 using FileUtils::Paths_t;
         82 
         83 DepRels_t const dep_rels{
         84     {DepRelation{"ut_data/app1", 2,
         85                  Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"},
         86                  "ut_data/app1/mod1", 0, Paths_t{}}},
         87     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}}},
         88     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
         89     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 1,
         90                  Paths_t{"ut_data/app1/a_1_cpp.h"}}},
         91     {DepRelation{"ut_data/app1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 1,
         92                  Paths_t{"ut_data/app1/a_2_cpp.hpp"}}},
         93     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp"},
         94                  "ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}}},
         95     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
         96     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
         97                  "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}}},
         98     {DepRelation{"ut_data/app1/mod1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 2,
         99                  Paths_t{"ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}}},
        100     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}}},
        101     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}}},
        102     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 0, Paths_t{}}},
        103     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", 1, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"},
        104                  "ut_data/app1/mod2/mod2_2", 2, Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}}},
        105     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 0, Paths_t{}}},
        106     {DepRelation{"ut_data/app1/mod2/mod2_2", 0, Paths_t{}, "ut_data/app2", 0, Paths_t{}}},
        107 };
        108 }  // namespace
        109 
        110 TEST(load_store_format, DepRels_t)
        111 {
        112     auto const deps_org = std::string{"ut_data/load_store/deps_org"};
        113     auto const deps_act = std::string{"ut_data/load_store/deps_act"};
        114 
        115     FileUtils::RemoveFile(deps_act);
        116 
        117     // ディレクトリなのでエラーなはず
        118     ASSERT_FALSE(FileUtils::StoreToFile("ut_data/app1", dep_rels, StoreToStream));
        119 
        120     ASSERT_TRUE(FileUtils::StoreToFile(deps_act, dep_rels, StoreToStream));
        121 
        122     auto deps_out0 = std::optional<DepRels_t>{FileUtils::LoadFromFile(deps_org, Load_DepRels)};
        123     ASSERT_TRUE(deps_out0);
        124 
        125     auto exp_it     = dep_rels.cbegin();
        126     auto exp_it_end = dep_rels.cend();
        127     auto act_it     = deps_out0->cbegin();
        128 
        129     while (exp_it != exp_it_end) {
        130         auto exp_str = ToStringDepRel(*exp_it);
        131         auto act_str = ToStringDepRel(*act_it);
        132         ASSERT_EQ(exp_str, act_str);
        133         ASSERT_EQ(exp_it->PackageA, act_it->PackageA);
        134         ASSERT_EQ(exp_it->CountAtoB, act_it->CountAtoB);
        135         ASSERT_EQ(exp_it->IncsAtoB, act_it->IncsAtoB);
        136         ASSERT_EQ(exp_it->PackageB, act_it->PackageB);
        137         ASSERT_EQ(exp_it->CountBtoA, act_it->CountBtoA);
        138         ASSERT_EQ(exp_it->IncsBtoA, act_it->IncsBtoA);
        139         ASSERT_EQ(*exp_it, *act_it);
        140 
        141         ++exp_it;
        142         ++act_it;
        143     }
        144     ASSERT_EQ(dep_rels, *deps_out0);
        145 
        146     auto deps_out1 = std::optional<DepRels_t>{FileUtils::LoadFromFile(deps_act, Load_DepRels)};
        147     ASSERT_TRUE(deps_out1);
        148 
        149     ASSERT_EQ(dep_rels, *deps_out1);
        150 
        151     FileUtils::RemoveFile(deps_act);
        152 }
        153 
        154 TEST(load_store_format, Arch_t)
        155 {
        156     auto const arch_exp = std::string{"ut_data/load_store/arch_org"};
        157     auto const arch_act = std::string{"ut_data/load_store/arch_act"};
        158 
        159     FileUtils::RemoveFile(arch_act);
        160 
        161     auto row_exp = std::optional<std::vector<std::string>>{
        162         FileUtils::LoadFromFile(arch_exp, FileUtils::Load_Strings)};
        163     ASSERT_TRUE(row_exp);
        164 
        165     auto const arch = ArchPkg::GenArch(dep_rels);
        166     ASSERT_TRUE(FileUtils::StoreToFile(arch_act, arch, StoreToStream));
        167 
        168     auto row_act = std::optional<std::vector<std::string>>{
        169         FileUtils::LoadFromFile(arch_act, FileUtils::Load_Strings)};
        170     ASSERT_TRUE(row_act);
        171 
        172     ASSERT_EQ(row_exp, *row_act);
        173 
        174     FileUtils::RemoveFile(arch_act);
        175 }
        176 }  // namespace
        177 }  // namespace Dependency

example/deps/file_utils/h/file_utils/load_store.h

          1 #pragma once
          2 #include <fstream>
          3 #include <optional>
          4 #include <string>
          5 
          6 namespace FileUtils {
          7 
          8 template <typename T>
          9 bool StoreToFile(std::string_view filename, T const& t, bool (*ss)(std::ostream& os, T const&))
         10 {
         11     auto fout = std::ofstream{filename.data()};
         12 
         13     if (!fout) {
         14         return false;
         15     }
         16 
         17     return (*ss)(fout, t);
         18 }
         19 
         20 template <typename T>
         21 std::optional<T> LoadFromFile(std::string_view filename, std::optional<T> (*ls)(std::istream& os))
         22 {
         23     auto fin = std::ifstream{filename.data()};
         24 
         25     if (!fin) {
         26         return std::nullopt;
         27     }
         28 
         29     return (*ls)(fin);
         30 }
         31 }  // namespace FileUtils

example/deps/file_utils/h/file_utils/load_store_row.h

          1 #pragma once
          2 #include <fstream>
          3 #include <optional>
          4 #include <utility>
          5 #include <vector>
          6 
          7 namespace FileUtils {
          8 
          9 bool StoreToStream(std::ostream& os, std::vector<std::string> const& lines);
         10 std::optional<std::vector<std::string>> Load_Strings(std::istream& is);
         11 }  // namespace FileUtils

example/deps/file_utils/h/file_utils/path_utils.h

          1 #pragma once
          2 #include <filesystem>
          3 #include <fstream>
          4 #include <list>
          5 #include <map>
          6 #include <string>
          7 
          8 namespace FileUtils {
          9 
         10 using Path_t = std::filesystem::path;
         11 std::string ToStringPath(Path_t const& paths);
         12 
         13 using Paths_t = std::list<std::filesystem::path>;
         14 
         15 Paths_t              NotDirs(Paths_t const& dirs);
         16 std::string          ToStringPaths(Paths_t const& paths, std::string_view sep = "\n",
         17                                    std::string_view indent = "");
         18 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Paths_t const& paths)
         19 {
         20     return os << ToStringPaths(paths);
         21 }
         22 
         23 // first path:  filename
         24 // second path: pathname
         25 using Filename2Path_t = std::map<Path_t, Path_t>;
         26 Filename2Path_t GenFilename2Path(Paths_t const& paths);
         27 
         28 // first  : package name(directory name)
         29 // second : srcs assigned to package
         30 using Dirs2Srcs_t = std::map<Path_t, Paths_t>;
         31 
         32 Dirs2Srcs_t          AssginSrcsToDirs(Paths_t const& dirs, Paths_t const& srcs);
         33 std::string          ToStringDirs2Srcs(Dirs2Srcs_t const& dirs2srcs);
         34 inline std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Dirs2Srcs_t const& dirs2srcs)
         35 {
         36     return os << ToStringDirs2Srcs(dirs2srcs);
         37 }
         38 
         39 Path_t NormalizeLexically(Path_t const& path);
         40 
         41 void RemoveFile(Path_t const& filename);
         42 }  // namespace FileUtils

example/deps/file_utils/src/load_store_row.cpp

          1 #include <cassert>
          2 #include <iostream>
          3 #include <optional>
          4 #include <regex>
          5 
          6 #include "file_utils/load_store.h"
          7 #include "file_utils/load_store_row.h"
          8 
          9 namespace FileUtils {
         10 
         11 bool StoreToStream(std::ostream& os, std::vector<std::string> const& lines)
         12 {
         13     for (auto const& line : lines) {
         14         os << line;
         15     }
         16 
         17     return true;
         18 }
         19 
         20 std::optional<std::vector<std::string>> Load_Strings(std::istream& is)
         21 {
         22     auto content = std::vector<std::string>{};
         23     auto line    = std::string{};
         24 
         25     while (std::getline(is, line)) {
         26         auto ss = std::ostringstream{};
         27 
         28         ss << line << std::endl;
         29         content.emplace_back(ss.str());
         30     }
         31 
         32     return content;
         33 }
         34 }  // namespace FileUtils

example/deps/file_utils/src/path_utils.cpp

          1 #include <algorithm>
          2 #include <sstream>
          3 #include <utility>
          4 
          5 #include "file_utils/path_utils.h"
          6 
          7 namespace FileUtils {
          8 
          9 std::string ToStringPath(Path_t const& path)
         10 {
         11     auto pn = path.string();
         12 
         13     if (pn.size() == 0) {
         14         pn = "\"\"";
         15     }
         16 
         17     return pn;
         18 }
         19 
         20 std::string ToStringPaths(Paths_t const& paths, std::string_view sep, std::string_view indent)
         21 {
         22     auto ss    = std::ostringstream{};
         23     auto first = true;
         24 
         25     for (auto const& p : paths) {
         26         if (!std::exchange(first, false)) {
         27             ss << sep;
         28         }
         29 
         30         ss << indent << ToStringPath(p);
         31     }
         32 
         33     return ss.str();
         34 }
         35 
         36 std::string ToStringDirs2Srcs(Dirs2Srcs_t const& dirs2srcs)
         37 {
         38     auto ss    = std::ostringstream{};
         39     auto first = bool{true};
         40 
         41     for (auto const& pair : dirs2srcs) {
         42         if (first) {
         43             first = false;
         44         }
         45         else {
         46             ss << std::endl;
         47         }
         48 
         49         ss << ToStringPath(pair.first) << std::endl;
         50         ss << ToStringPaths(pair.second, "\n", "    ") << std::endl;
         51     }
         52 
         53     return ss.str();
         54 }
         55 
         56 Paths_t NotDirs(Paths_t const& dirs)
         57 {
         58     auto ret = Paths_t{};
         59 
         60     std::copy_if(dirs.cbegin(), dirs.cend(), std::back_inserter(ret),
         61                  [](auto const& dir) noexcept { return !std::filesystem::is_directory(dir); });
         62 
         63     return ret;
         64 }
         65 
         66 Filename2Path_t GenFilename2Path(Paths_t const& paths)
         67 {
         68     auto ret = Filename2Path_t{};
         69 
         70     for (auto const& p : paths) {
         71         ret[p.filename()] = p;
         72     }
         73 
         74     return ret;
         75 }
         76 
         77 namespace {
         78 Path_t const current_dir{"."};
         79 
         80 size_t match_count(Path_t const& dir, Path_t const& src)
         81 {
         82     auto const dir_str = dir.string();
         83     auto const src_str = dir == current_dir ? "./" + src.string() : src.string();
         84 
         85     if (dir_str.size() >= src_str.size()) {
         86         return 0;
         87     }
         88 
         89     auto count     = 0U;
         90     auto count_max = dir_str.size();
         91 
         92     for (; count < count_max; ++count) {
         93         if (dir_str[count] != src_str[count]) {
         94             break;
         95         }
         96     }
         97 
         98     if (count == count_max && src_str[count] == '/') {
         99         return count;
        100     }
        101 
        102     return 0;
        103 }
        104 
        105 Path_t select_package(Path_t const& src, Paths_t const& dirs)
        106 {
        107     Path_t const* best_match{nullptr};
        108     auto          count_max = 0U;
        109 
        110     for (auto const& dir : dirs) {
        111         auto count = match_count(dir, src);
        112         if (count_max < count) {
        113             best_match = &dir;
        114             count_max  = count;
        115         }
        116     }
        117 
        118     if (best_match == nullptr) {
        119         return Path_t("no_package");
        120     }
        121     else {
        122         return *best_match;
        123     }
        124 }
        125 
        126 Paths_t gen_parent_dirs(Path_t const dir)
        127 {
        128     auto ret = Paths_t{};
        129 
        130     for (auto p = dir.parent_path(), pp = p.parent_path(); !p.empty() && p != pp;
        131          p = pp, pp = p.parent_path()) {
        132         ret.push_front(p);
        133     }
        134 
        135     return ret;
        136 }
        137 
        138 // a/
        139 //   a0.c
        140 //   b/
        141 //     c/
        142 //       d/
        143 //         d.c
        144 // のようなファイ構造があった場合、
        145 // d2sには a、a/b/c/d が登録され、a/b、a/b/cは登録されていない。
        146 // a/b、a/b/cを埋めるのがpad_parent_dirsである。
        147 void pad_parent_dirs(Paths_t const& dirs, Dirs2Srcs_t& d2s)
        148 {
        149     for (auto const& dir : dirs) {
        150         auto parent_found = false;
        151 
        152         for (auto const& p : gen_parent_dirs(dir)) {
        153             if (!parent_found && d2s.count(p) != 0) {
        154                 parent_found = true;
        155             }
        156             else if (parent_found && d2s.count(p) == 0) {
        157                 d2s[p] = Paths_t();
        158             }
        159         }
        160     }
        161 }
        162 }  // namespace
        163 
        164 Dirs2Srcs_t AssginSrcsToDirs(Paths_t const& dirs, Paths_t const& srcs)
        165 {
        166     auto ret      = Dirs2Srcs_t{};
        167     auto add_dirs = Paths_t{};
        168 
        169     for (auto const& src : srcs) {
        170         auto dir = select_package(src, dirs);
        171 
        172         if (ret.count(dir) == 0) {
        173             ret[dir] = Paths_t();
        174             add_dirs.push_back(dir);
        175         }
        176         ret[dir].push_back(src);
        177     }
        178 
        179     pad_parent_dirs(add_dirs, ret);
        180 
        181     return ret;
        182 }
        183 
        184 Path_t NormalizeLexically(Path_t const& path)
        185 {
        186     // lexically_normalは"a/../b"を"b"にする
        187     // 最後の'/'を削除
        188     auto path_lex = Path_t(path.string() + '/').lexically_normal().string();
        189     path_lex.pop_back();
        190 
        191     if (path_lex.size() == 0) {
        192         return Path_t(".");
        193     }
        194     return path_lex;
        195 }
        196 
        197 void RemoveFile(Path_t const& filename)
        198 {
        199     if (std::filesystem::exists(filename)) {
        200         std::filesystem::remove(filename);
        201     }
        202 }
        203 }  // namespace FileUtils

example/deps/file_utils/ut/load_store_row_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "file_utils/load_store.h"
          4 #include "file_utils/load_store_row.h"
          5 #include "file_utils/path_utils.h"
          6 
          7 namespace FileUtils {
          8 namespace {
          9 
         10 TEST(load_store, Row)
         11 {
         12     auto const row_exp = std::string{"ut_data/load_store/pkg_org"};
         13     auto const row_act = std::string{"ut_data/load_store/pkg_act"};
         14 
         15     RemoveFile(row_act);
         16 
         17     auto row_data0 = std::optional<std::vector<std::string>>{LoadFromFile(row_act, Load_Strings)};
         18 
         19     // row_actはないのでエラーなはず
         20     ASSERT_FALSE(row_data0);
         21 
         22     // ディレクトリなのでエラーなはず
         23     ASSERT_FALSE(StoreToFile("ut_data/app1", *row_data0, StoreToStream));
         24 
         25     row_data0 = LoadFromFile(row_exp, Load_Strings);
         26     ASSERT_TRUE(row_data0);
         27     ASSERT_TRUE(StoreToFile(row_act, *row_data0, StoreToStream));
         28 
         29     auto row_data1 = std::optional<std::vector<std::string>>{LoadFromFile(row_act, Load_Strings)};
         30     ASSERT_TRUE(row_data1);
         31 
         32     ASSERT_EQ(*row_data0, *row_data1);
         33 
         34     RemoveFile(row_act);
         35 }
         36 }  // namespace
         37 }  // namespace FileUtils

example/deps/file_utils/ut/path_utils_ut.cpp

          1 #include "gtest_wrapper.h"
          2 
          3 #include "file_utils/load_store.h"
          4 #include "file_utils/load_store_row.h"
          5 #include "file_utils/path_utils.h"
          6 #include "logging/logger.h"
          7 
          8 #define SCAN_BUILD_ERROR 0
          9 
         10 #if SCAN_BUILD_ERROR == 1
         11 struct X {};
         12 void potential_leak(int a)
         13 {
         14     X* x{new X};
         15 
         16     if (a == 2) {  // aが2ならメモリリーク
         17         return;
         18     }
         19 
         20     delete x;
         21 }
         22 #endif
         23 
         24 namespace FileUtils {
         25 namespace {
         26 
         27 TEST(path_utils, Logger)
         28 {
         29     auto log_file_org = "ut_data/load_store/logger_org";
         30     auto log_file_act = "ut_data/load_store/logger_act";
         31 
         32     RemoveFile(log_file_act);
         33 
         34     LOGGER_INIT(log_file_act);
         35     LOGGER(1);
         36     LOGGER("xyz", 3, 5);
         37 
         38     auto const dirs = Paths_t{"ut_data/app1",
         39                               "ut_data/app1/mod1",
         40                               "ut_data/app1/mod2",
         41                               "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
         42                               "ut_data/app1/mod2/mod2_2",
         43                               "ut_data/app2"};
         44 
         45     LOGGER(ToStringPaths(dirs));
         46     LOGGER(dirs);
         47 
         48     Logging::Logger::Inst().Close();
         49 
         50     auto exp = std::optional<std::vector<std::string>>{LoadFromFile(log_file_org, Load_Strings)};
         51     ASSERT_TRUE(exp);
         52 
         53     auto act = std::optional<std::vector<std::string>>{LoadFromFile(log_file_act, Load_Strings)};
         54     ASSERT_TRUE(act);
         55 
         56     ASSERT_EQ(*exp, *act);
         57 
         58     RemoveFile(log_file_act);
         59 }
         60 
         61 TEST(path_utils, NotDirs)
         62 {
         63     {
         64         auto const dir_in  = Paths_t{"ut_data/app1",
         65                                     "ut_data/app1/mod1",
         66                                     "ut_data/app1/mod2",
         67                                     "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
         68                                     "ut_data/app1/mod2/mod2_2",
         69                                     "ut_data/app2"};
         70         auto const dir_act = Paths_t{NotDirs(dir_in)};
         71 
         72         ASSERT_EQ(Paths_t{}, dir_act);
         73     }
         74     {
         75         auto const dir_in  = Paths_t{"ut_data/app1",
         76                                     "ut_data/app1/notdir",
         77                                     "ut_data/notdir2",
         78                                     "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
         79                                     "ut_data/app1/mod2/mod2_2",
         80                                     "ut_data/app2"};
         81         auto const dir_act = Paths_t{NotDirs(dir_in)};
         82         auto const dir_exp = Paths_t{
         83             "ut_data/app1/notdir",
         84             "ut_data/notdir2",
         85         };
         86 
         87         ASSERT_EQ(dir_exp, dir_act);
         88     }
         89 }
         90 
         91 TEST(path_utils, NormalizeLexically)
         92 {
         93     // こうなるのでNormalizeLexicallyが必要
         94     ASSERT_EQ(Path_t("a"), Path_t("a"));
         95     ASSERT_NE(Path_t("a/"), Path_t("a"));
         96     ASSERT_EQ("a/", Path_t("x/../a/").lexically_normal().string());
         97     ASSERT_EQ("a", Path_t("x/../a").lexically_normal().string());
         98 
         99     // テストはここから
        100     ASSERT_EQ("a", NormalizeLexically("x/../a/").string());
        101     ASSERT_EQ("a", NormalizeLexically("./x/../a/").string());
        102     ASSERT_EQ("../a", NormalizeLexically(".././x/../a/").string());
        103     ASSERT_EQ("../a", NormalizeLexically(".././x/../a////").string());
        104     ASSERT_EQ("../a", NormalizeLexically(".././x/../a/./././").string());
        105 
        106     ASSERT_EQ("a", NormalizeLexically(Path_t("x/../a/")).string());
        107 
        108     ASSERT_EQ(".", NormalizeLexically(Path_t("./")).string());
        109     ASSERT_EQ(".", NormalizeLexically(Path_t(".")).string());
        110 }
        111 
        112 TEST(path_utils, GenFilename2Path)
        113 {
        114     auto const act_srcs
        115         = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        116                   "ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/a_2_c.C"};
        117 
        118     auto const act = GenFilename2Path(act_srcs);
        119 
        120     auto const exp = Filename2Path_t{
        121         {"a_1_c.c", "ut_data/app1/a_1_c.c"},         {"a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_c.h"},
        122         {"a_1_cpp.cpp", "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp"}, {"a_1_cpp.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.h"},
        123         {"a_2_c.C", "ut_data/app1/a_2_c.C"},
        124     };
        125 
        126     ASSERT_EQ(act, exp);
        127 }
        128 
        129 TEST(path_utils, AssginSrcsToDirs)
        130 {
        131     {
        132         auto const exp_dirs = Paths_t{"ut_data/app1",
        133                                       "ut_data/app1/mod1",
        134                                       "ut_data/app1/mod2",
        135                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        136                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2",
        137                                       "ut_data/app2"};
        138 
        139         auto const exp_srcs = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c",
        140                                       "ut_data/app1/a_1_c.h",
        141                                       "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        142                                       "ut_data/app1/a_1_cpp.h",
        143                                       "ut_data/app1/a_2_c.C",
        144                                       "ut_data/app1/a_2_c.H",
        145                                       "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx",
        146                                       "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp",
        147                                       "ut_data/app1/a_3_cpp.cc",
        148                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        149                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        150                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
        151                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp",
        152                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp",
        153                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp",
        154                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
        155                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp",
        156                                       "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h",
        157                                       "ut_data/app2/b_1.cpp",
        158                                       "ut_data/app2/b_1.h"};
        159 
        160         auto const act = AssginSrcsToDirs(exp_dirs, exp_srcs);
        161 
        162         auto const exp = Dirs2Srcs_t{
        163             {"ut_data/app1",
        164              {"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        165               "ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/a_2_c.C", "ut_data/app1/a_2_c.H",
        166               "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx", "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp", "ut_data/app1/a_3_cpp.cc"}},
        167             {"ut_data/app1/mod1",
        168              {"ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        169               "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}},
        170             {"ut_data/app1/mod2", {"ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp"}},
        171             {"ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        172              {"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}},
        173             {"ut_data/app1/mod2/mod2_2",
        174              {"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"}},
        175             {"ut_data/app2", {"ut_data/app2/b_1.cpp", "ut_data/app2/b_1.h"}},
        176         };
        177 
        178         ASSERT_EQ(act, exp);
        179     }
        180     {
        181         auto const exp_dirs = Paths_t{".", "ut_data/app1/mod1"};
        182         auto const exp_srcs = Paths_t{"path_utils.cpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        183                                       "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp"};
        184 
        185         auto const act = AssginSrcsToDirs(exp_dirs, exp_srcs);
        186 
        187         auto const exp = Dirs2Srcs_t{
        188             {".", {"path_utils.cpp"}},
        189             {"ut_data/app1/mod1", {"ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp"}},
        190         };
        191 
        192         ASSERT_EQ(act, exp);
        193     }
        194 }
        195 
        196 TEST(path_utils, PackageSrcMatcher2)
        197 {
        198     auto const exp_dirs = Paths_t{"ut_data", "ut_data/app1/mod2", "ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        199                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2", "ut_data/app2"};
        200 
        201     auto const exp_srcs = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c",
        202                                   "ut_data/app1/a_1_c.h",
        203                                   "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        204                                   "ut_data/app1/a_1_cpp.h",
        205                                   "ut_data/app1/a_2_c.C",
        206                                   "ut_data/app1/a_2_c.H",
        207                                   "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx",
        208                                   "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp",
        209                                   "ut_data/app1/a_3_cpp.cc",
        210                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        211                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        212                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
        213                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp",
        214                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp",
        215                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp",
        216                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
        217                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp",
        218                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h",
        219                                   "ut_data/app2/b_1.cpp",
        220                                   "ut_data/app2/b_1.h"};
        221 
        222     auto const act = AssginSrcsToDirs(exp_dirs, exp_srcs);
        223 
        224     auto const exp = Dirs2Srcs_t{
        225         {"ut_data",
        226          {"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/a_1_c.h", "ut_data/app1/a_1_cpp.cpp",
        227           "ut_data/app1/a_1_cpp.h", "ut_data/app1/a_2_c.C", "ut_data/app1/a_2_c.H",
        228           "ut_data/app1/a_2_cpp.cxx", "ut_data/app1/a_2_cpp.hpp", "ut_data/app1/a_3_cpp.cc",
        229           "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        230           "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp"}},
        231         {"ut_data/app1", {}},
        232         {"ut_data/app1/mod2", {"ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp"}},
        233         {"ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        234          {"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}},
        235         {"ut_data/app1/mod2/mod2_2",
        236          {"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"}},
        237         {"ut_data/app2", {"ut_data/app2/b_1.cpp", "ut_data/app2/b_1.h"}},
        238     };
        239 
        240     ASSERT_EQ(act, exp);
        241 }
        242 
        243 TEST(path_utils, PackageSrcMatcher3)
        244 {
        245     auto const exp_dirs
        246         = Paths_t{"ut_data/app1/mod2/mod2_1", "ut_data/app1/mod2/mod2_2", "ut_data/app2"};
        247 
        248     auto const exp_srcs = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c",
        249                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        250                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        251                                   "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp",
        252                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp",
        253                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp",
        254                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp",
        255                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h",
        256                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp",
        257                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h",
        258                                   "ut_data/app2/b_1.cpp",
        259                                   "ut_data/app2/b_1.h"};
        260 
        261     auto const act = AssginSrcsToDirs(exp_dirs, exp_srcs);
        262 
        263     auto const exp = Dirs2Srcs_t{
        264         {"ut_data/app1/mod2/mod2_1",
        265          {"ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h"}},
        266         {"ut_data/app1/mod2/mod2_2",
        267          {"ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.cpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_2/mod2_2_1.h"}},
        268         {"ut_data/app2", {"ut_data/app2/b_1.cpp", "ut_data/app2/b_1.h"}},
        269         {"no_package",
        270          {"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.hpp",
        271           "ut_data/app1/mod1/mod1_2.hpp", "ut_data/app1/mod2/mod2_1.cpp",
        272           "ut_data/app1/mod2/mod2_1.hpp"}},
        273     };
        274 
        275     ASSERT_EQ(act, exp);
        276 }
        277 
        278 TEST(path_utils, ToString_Path)
        279 {
        280     {
        281         auto const exp_path = Path_t{"ut_data/app1/a_1_c.c"};
        282         auto const exp      = std::string{"ut_data/app1/a_1_c.c"};
        283         auto const act      = ToStringPath(exp_path);
        284 
        285         ASSERT_EQ(act, exp);
        286     }
        287     {
        288         auto const exp_path = Path_t{""};
        289         auto const exp      = std::string{"\"\""};
        290         auto const act      = ToStringPath(exp_path);
        291 
        292         ASSERT_EQ(act, exp);
        293     }
        294 }
        295 
        296 TEST(path_utils, ToString_Paths)
        297 {
        298     auto const exp_srcs = Paths_t{"ut_data/app1/a_1_c.c", "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp",
        299                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp",
        300                                   "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h", "ut_data/app2/b_1.h"};
        301 
        302     auto const exp = std::string{
        303         "ut_data/app1/a_1_c.c "
        304         "ut_data/app1/mod1/mod1_1.cpp "
        305         "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.cpp "
        306         "ut_data/app1/mod2/mod2_1/mod2_1_1.h "
        307         "ut_data/app2/b_1.h"};
        308     auto const act = ToStringPaths(exp_srcs, " ");
        309 
        310     ASSERT_EQ(act, exp);
        311 }
        312 }  // namespace
        313 }  // namespace FileUtils

example/deps/lib/h/lib/nstd.h

          1 #pragma once
          2 #include <algorithm>
          3 #include <fstream>
          4 #include <list>
          5 #include <string>
          6 #include <utility>
          7 #include <vector>
          8 
          9 namespace Nstd {
         10 template <typename T, size_t N>
         11 constexpr size_t ArrayLength(T const (&)[N]) noexcept
         12 {
         13     return N;
         14 }
         15 
         16 template <typename T>
         17 void SortUnique(std::vector<T>& v)
         18 {
         19     std::sort(v.begin(), v.end());
         20     auto result = std::unique(v.begin(), v.end());
         21     v.erase(result, v.end());
         22 }
         23 
         24 template <typename T>
         25 void SortUnique(std::list<T>& v)
         26 {
         27     v.sort();
         28     v.unique();
         29 }
         30 
         31 template <typename T>
         32 void Concatenate(std::vector<T>& v0, std::vector<T>&& v1)
         33 {
         34     for (auto& v1_elem : v1) {
         35         v0.insert(v0.end(), std::move(v1_elem));
         36     }
         37 }
         38 
         39 template <typename T>
         40 void Concatenate(std::list<T>& v0, std::list<T>&& v1)
         41 {
         42     v0.splice(v0.end(), std::move(v1));
         43 }
         44 
         45 template <typename F>
         46 class ScopedGuard {
         47 public:
         48     explicit ScopedGuard(F&& f) noexcept : f_{f} {}
         49     ~ScopedGuard() { f_(); }
         50     ScopedGuard(ScopedGuard const&)            = delete;
         51     ScopedGuard& operator=(ScopedGuard const&) = delete;
         52 
         53 private:
         54     F f_;
         55 };
         56 
         57 inline std::string Replace(std::string in, std::string_view from, std::string_view to)
         58 {
         59     auto pos = in.find(from);
         60 
         61     while (pos != std::string::npos) {
         62         in.replace(pos, from.length(), to);
         63         pos = in.find(from, pos + to.length());
         64     }
         65 
         66     return in;
         67 }
         68 
         69 //
         70 // operator<< for range
         71 //
         72 namespace Inner_ {
         73 //
         74 // exists_put_to_as_member
         75 //
         76 template <typename, typename = std::ostream&>
         77 struct exists_put_to_as_member : std::false_type {
         78 };
         79 
         80 template <typename T>
         81 struct exists_put_to_as_member<T, decltype(std::declval<std::ostream&>().operator<<(
         82                                       std::declval<T>()))> : std::true_type {
         83 };
         84 
         85 template <typename T>
         86 constexpr bool exists_put_to_as_member_v{exists_put_to_as_member<T>::value};
         87 
         88 //
         89 // exists_put_to_as_non_member
         90 //
         91 template <typename, typename = std::ostream&>
         92 struct exists_put_to_as_non_member : std::false_type {
         93 };
         94 
         95 template <typename T>
         96 struct exists_put_to_as_non_member<T, decltype(operator<<(std::declval<std::ostream&>(),
         97                                                           std::declval<T>()))> : std::true_type {
         98 };
         99 
        100 template <typename T>
        101 constexpr bool exists_put_to_as_non_member_v{exists_put_to_as_non_member<T>::value};
        102 
        103 //
        104 // exists_put_to_v
        105 //
        106 template <typename T>
        107 constexpr bool exists_put_to_v{
        108     Nstd::Inner_::exists_put_to_as_member_v<T> || Nstd::Inner_::exists_put_to_as_non_member_v<T>};
        109 
        110 //
        111 // is_range
        112 //
        113 template <typename, typename = bool>
        114 struct is_range : std::false_type {
        115 };
        116 
        117 template <typename T>
        118 struct is_range<T, typename std::enable_if_t<!std::is_array_v<T>,
        119                                              decltype(std::begin(std::declval<T>()), bool{})>>
        120     : std::true_type {
        121 };
        122 
        123 template <typename T>
        124 struct is_range<T, typename std::enable_if_t<std::is_array_v<T>, bool>> : std::true_type {
        125 };
        126 
        127 //
        128 // is_range_v
        129 //
        130 template <typename T>
        131 constexpr bool is_range_v{is_range<T>::value};
        132 
        133 }  // namespace Inner_
        134 
        135 //
        136 // operator<< for range
        137 //
        138 template <typename T>
        139 auto operator<<(std::ostream& os, T const& t) ->
        140     typename std::enable_if_t<Inner_::is_range_v<T> && !Inner_::exists_put_to_v<T>, std::ostream&>
        141 {
        142     auto first = true;
        143 
        144     for (auto const& i : t) {
        145         if (!std::exchange(first, false)) {
        146             os << ", ";
        147         }
        148         os << i;
        149     }
        150 
        151     return os;
        152 }
        153 }  // namespace Nstd

example/deps/lib/ut/nstd_ut.cpp

          1 #include <filesystem>
          2 #include <list>
          3 #include <ostream>
          4 #include <regex>
          5 #include <string>
          6 
          7 #include "gtest_wrapper.h"
          8 
          9 #include "lib/nstd.h"
         10 
         11 namespace Nstd {
         12 namespace {
         13 
         14 TEST(Nstd, ArrayLength)
         15 {
         16     {
         17         char const* act[] = {"d", "a", "ab", "bcd"};
         18 
         19         ASSERT_EQ(4, ArrayLength(act));
         20     }
         21     {
         22         std::string const act[] = {"d", "a", "Ab"};
         23 
         24         ASSERT_EQ(3, ArrayLength(act));
         25     }
         26 }
         27 
         28 TEST(Nstd, SortUnique)
         29 {
         30     {
         31         auto act = std::vector<std::string>{"d", "a", "ab", "bcd"};
         32 
         33         SortUnique(act);
         34 
         35         ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"a", "ab", "bcd", "d"}), act);
         36     }
         37     {
         38         auto act = std::list<std::filesystem::path>{"d", "a", "Ab", "bcd"};
         39 
         40         SortUnique(act);
         41 
         42         ASSERT_EQ((std::list<std::filesystem::path>{"Ab", "a", "bcd", "d"}), act);
         43     }
         44 }
         45 
         46 TEST(Nstd, Concatenate)
         47 {
         48     {
         49         auto act0 = std::vector<std::string>{"d", "a", "ab"};
         50         auto act1 = std::vector<std::string>{"bcd", "ef"};
         51 
         52         Concatenate(act0, std::move(act1));
         53         ASSERT_EQ((std::vector<std::string>{"d", "a", "ab", "bcd", "ef"}), act0);
         54     }
         55     {
         56         auto act0 = std::list<std::filesystem::path>{"d", "a", "ab"};
         57         auto act1 = std::list<std::filesystem::path>{"bcd", "ef"};
         58 
         59         Concatenate(act0, std::move(act1));
         60         ASSERT_EQ((std::list<std::filesystem::path>{"d", "a", "ab", "bcd", "ef"}), act0);
         61     }
         62 }
         63 
         64 TEST(Nstd, ScopedGuard)
         65 {
         66     auto s = std::string{"not called"};
         67 
         68     {
         69         auto sg = ScopedGuard{[&s]() noexcept { s = "called"; }};
         70         ASSERT_EQ(s, "not called");
         71     }
         72 
         73     ASSERT_EQ(s, "called");
         74 }
         75 
         76 TEST(Nstd, Replace)
         77 {
         78     {
         79         auto in  = std::string{"a-b-c-d"};
         80         auto act = Replace(in, "-", "/");
         81         ASSERT_EQ(act, "a/b/c/d");
         82     }
         83     {
         84         auto in  = std::string{"a-b-c-d"};
         85         auto act = Replace(in, "-", "///////");
         86         ASSERT_EQ(act, "a///////b///////c///////d");
         87     }
         88     {
         89         auto in  = std::string{"a-b-c-d"};
         90         auto act = Replace(in, "-", "");
         91         ASSERT_EQ(act, "abcd");
         92     }
         93 }
         94 
         95 TEST(stl_try, exclude)
         96 {
         97     auto       dirs    = std::list<std::string>{"A", "B", "A/e", "A/e/f", "B/xxx/ef"};
         98     auto       exclude = std::string{R"(.*/e\b.*)"};
         99     auto const pattern = std::regex{exclude};
        100 
        101     dirs.remove_if([&pattern](auto const& d) {
        102         auto results = std::smatch{};
        103         return std::regex_match(d, results, pattern);
        104     });
        105 
        106     ASSERT_EQ(dirs, (std::list<std::string>{"A", "B", "B/xxx/ef"}));
        107 }
        108 }  // namespace
        109 
        110 namespace Inner_ {
        111 namespace {
        112 class test_class_exits_put_to {};
        113 
        114 std::ostream& operator<<(std::ostream& os, test_class_exits_put_to) { return os; }
        115 
        116 class test_class_not_exits_put_to {};
        117 
        118 TEST(Nstd, exists_put_to_as_member)
        119 {
        120     static_assert(exists_put_to_as_member_v<bool>);
        121     static_assert(exists_put_to_as_member_v<char[3]>);
        122     static_assert(!exists_put_to_as_member_v<std::string>);
        123     static_assert(!exists_put_to_as_member_v<std::vector<int>>);
        124     static_assert(exists_put_to_as_member_v<std::vector<int>*>);
        125     static_assert(!exists_put_to_as_member_v<test_class_exits_put_to>);
        126     static_assert(!exists_put_to_as_member_v<test_class_not_exits_put_to>);
        127     static_assert(exists_put_to_as_member_v<test_class_not_exits_put_to[3]>);
        128     auto oss = std::ostringstream{};
        129     oss << test_class_exits_put_to{};
        130 }
        131 
        132 TEST(Template, exists_put_to_as_non_member)
        133 {
        134     static_assert(!exists_put_to_as_non_member_v<bool>);
        135     static_assert(exists_put_to_as_non_member_v<std::string>);
        136     static_assert(!exists_put_to_as_non_member_v<std::vector<int>>);
        137     static_assert(!exists_put_to_as_non_member_v<std::vector<int>*>);
        138     static_assert(exists_put_to_as_non_member_v<test_class_exits_put_to>);
        139     static_assert(!exists_put_to_as_non_member_v<test_class_not_exits_put_to>);
        140     static_assert(!exists_put_to_as_non_member_v<test_class_not_exits_put_to[3]>);
        141 }
        142 
        143 TEST(Template, exists_put_to_v)
        144 {
        145     static_assert(exists_put_to_v<bool>);
        146     static_assert(exists_put_to_v<std::string>);
        147     static_assert(!exists_put_to_v<std::vector<int>>);
        148     static_assert(exists_put_to_v<std::vector<int>*>);
        149     static_assert(exists_put_to_v<test_class_exits_put_to>);
        150     static_assert(!exists_put_to_v<test_class_not_exits_put_to>);
        151     static_assert(exists_put_to_v<test_class_not_exits_put_to[3]>);
        152 }
        153 
        154 TEST(Template, is_range)
        155 {
        156     static_assert(is_range_v<std::string>);
        157     static_assert(!is_range_v<int>);
        158     static_assert(is_range_v<int const[3]>);
        159     static_assert(is_range_v<int[3]>);
        160 }
        161 }  // namespace
        162 }  // namespace Inner_
        163 
        164 namespace {
        165 TEST(Template, PutTo)
        166 {
        167     {
        168         auto oss = std::ostringstream{};
        169         char c[] = "c3";
        170 
        171         oss << c;
        172         ASSERT_EQ("c3", oss.str());
        173     }
        174     {
        175         auto oss = std::ostringstream{};
        176         auto str = std::vector<std::string>{"1", "2", "3"};
        177 
        178         oss << str;
        179         ASSERT_EQ("1, 2, 3", oss.str());
        180     }
        181     {
        182         auto oss = std::ostringstream{};
        183         auto p   = std::list<std::filesystem::path>{"1", "2", "3"};
        184 
        185         oss << p;
        186         ASSERT_EQ("\"1\", \"2\", \"3\"", oss.str());
        187     }
        188 }
        189 }  // namespace
        190 }  // namespace Nstd

example/deps/logging/h/logging/logger.h

          1 #pragma once
          2 
          3 #include <fstream>
          4 #include <iostream>
          5 #include <sstream>
          6 #include <string>
          7 #include <string_view>
          8 
          9 #include "lib/nstd.h"
         10 
         11 // @@@ sample begin 0:0
         12 
         13 namespace Logging {
         14 class Logger {
         15 public:
         16     static Logger& Inst(char const* filename = nullptr);
         17 
         18     template <typename HEAD, typename... TAIL>
         19     void Set(char const* filename, uint32_t line_no, HEAD const& head, TAIL... tails)
         20     {
         21         auto   path     = std::string_view{filename};
         22         size_t npos     = path.find_last_of('/');
         23         auto   basename = (npos != std::string_view::npos) ? path.substr(npos + 1) : path;
         24 
         25         os_.width(12);
         26         os_ << basename << ":";
         27 
         28         os_.width(3);
         29         os_ << line_no;
         30 
         31         set_inner(head, tails...);
         32     }
         33 
         34     // @@@ ignore begin
         35     void Close();
         36     Logger(Logger const&)            = delete;
         37     Logger& operator=(Logger const&) = delete;
         38     // @@@ ignore end
         39 
         40 private:
         41     void set_inner() { os_ << std::endl; }
         42 
         43     template <typename HEAD, typename... TAIL>
         44     void set_inner(HEAD const& head, TAIL... tails)
         45     {
         46         using Nstd::operator<<;
         47         os_ << ":" << head;
         48         set_inner(tails...);
         49     }
         50 
         51     template <typename HEAD, typename... TAIL>
         52     void set_inner(char sep, HEAD const& head, TAIL... tails)
         53     {
         54         using Nstd::operator<<;
         55         os_ << sep << head;
         56         set_inner(tails...);
         57     }
         58 
         59     // @@@ ignore begin
         60     explicit Logger(char const* filename);
         61 
         62     std::ofstream ofs_{};
         63     std::ostream& os_;
         64 
         65     // @@@ ignore end
         66 };
         67 }  // namespace Logging
         68 
         69 #define LOGGER_INIT(filename) Logging::Logger::Inst(filename)
         70 #define LOGGER(...) Logging::Logger::Inst().Set(__FILE__, __LINE__, __VA_ARGS__)
         71 // @@@ sample end

example/deps/logging/src/logger.cpp

          1 #include "logging/logger.h"
          2 
          3 namespace {
          4 class null_ostream : private std::streambuf, public std::ostream {
          5 public:
          6     static null_ostream& Inst()
          7     {
          8         static null_ostream inst;
          9         return inst;
         10     }
         11 
         12 protected:
         13     virtual int overflow(int c)
         14     {
         15         setp(buf_, buf_ + sizeof(buf_));
         16         return (c == eof() ? '\0' : c);
         17     }
         18 
         19 private:
         20     null_ostream() : std::ostream{this} {}
         21     char buf_[128];
         22 };
         23 
         24 std::ostream& init_os(char const* filename, std::ofstream& ofs)
         25 {
         26     if (filename == nullptr) {
         27         return std::cout;
         28     }
         29     else {
         30         if (std::string{filename}.size() == 0) {
         31             return null_ostream::Inst();
         32         }
         33         else {
         34             ofs.open(filename);
         35             return ofs;
         36         }
         37     }
         38 }
         39 }  // namespace
         40 
         41 namespace Logging {
         42 Logger::Logger(char const* filename) : os_{init_os(filename, ofs_)} {}
         43 
         44 Logger& Logger::Inst(char const* filename)
         45 {
         46     static auto inst = Logger{filename};
         47 
         48     return inst;
         49 }
         50 
         51 void Logger::Close()
         52 {
         53     if (&std::cout != &os_) {
         54         ofs_.close();
         55     }
         56 }
         57 }  // namespace Logging

example/deps/logging/ut/logger_ut.cpp

          1 #include <filesystem>
          2 
          3 #include "gtest_wrapper.h"
          4 
          5 #include "logging/logger.h"
          6 
          7 namespace {
          8 
          9 TEST(log, Logger)
         10 {
         11     // loggingのテストは他のライブラリで行う。
         12     // ここではコンパイルできることの確認のみ。
         13 
         14     LOGGER_INIT(nullptr);
         15     LOGGER(1);
         16     LOGGER("xyz", 3, 5);
         17 
         18     auto file = std::filesystem::path{"hehe"};
         19     LOGGER(file);
         20 }
         21 }  // namespace

example/dynamic_memory_allocation/malloc_ut.cpp

          1 #include <sys/unistd.h>
          2 
          3 #include <cassert>
          4 #include <cstdint>
          5 #include <mutex>
          6 
          7 #include "gtest_wrapper.h"
          8 
          9 #include "dynamic_memory_allocation_ut.h"
         10 #include "spin_lock.h"
         11 #include "utils.h"
         12 
         13 // @@@ sample begin 0:0
         14 
         15 extern "C" void* sbrk(ptrdiff_t __incr);
         16 // @@@ sample end
         17 
         18 namespace MallocFree {
         19 // @@@ sample begin 1:0
         20 
         21 namespace {
         22 
         23 struct header_t {
         24     header_t* next;
         25     size_t    n_nuits;  // header_tが何個あるか
         26 };
         27 
         28 header_t*        header{nullptr};
         29 SpinLock         spin_lock{};
         30 constexpr size_t unit_size{sizeof(header_t)};
         31 
         32 inline bool sprit(header_t* header, size_t n_nuits, header_t*& next) noexcept
         33 {
         34     // @@@ ignore begin
         35     assert(n_nuits > 1);  // ヘッダとバッファなので最低でも2
         36 
         37     next = nullptr;
         38 
         39     if (header->n_nuits == n_nuits || header->n_nuits == n_nuits + 1) {
         40         next = header->next;
         41         return true;
         42     }
         43     else if (header->n_nuits > n_nuits) {
         44         next            = header + n_nuits;
         45         next->n_nuits   = header->n_nuits - n_nuits;
         46         next->next      = header->next;
         47         header->n_nuits = n_nuits;
         48         return true;
         49     }
         50 
         51     return false;
         52     // @@@ ignore end
         53 }
         54 
         55 inline void concat(header_t* front, header_t* rear) noexcept
         56 {
         57     // @@@ ignore begin
         58     if (front + front->n_nuits == rear) {  // 1枚のメモリになる
         59         front->n_nuits += rear->n_nuits;
         60         front->next = rear->next;
         61     }
         62     else {
         63         front->next = rear;
         64     }
         65     // @@@ ignore end
         66 }
         67 
         68 header_t* set_back(void* mem) noexcept { return static_cast<header_t*>(mem) - 1; }
         69 
         70 static_assert(sizeof(header_t) == alignof(std::max_align_t));
         71 
         72 void* malloc_inner(size_t size) noexcept
         73 {
         74     // @@@ ignore begin
         75     // size分のメモリとヘッダ
         76     auto n_nuits = (Roundup(unit_size, size) / unit_size) + 1;
         77     auto lock    = std::lock_guard{spin_lock};
         78 
         79     auto curr = header;
         80     for (header_t* prev = nullptr; curr != nullptr; prev = curr, curr = curr->next) {
         81         header_t* next;
         82 
         83         if (!sprit(curr, n_nuits, next)) {
         84             continue;
         85         }
         86 
         87         if (prev == nullptr) {
         88             header = next;
         89         }
         90         else {
         91             prev->next = next;
         92         }
         93         break;
         94     }
         95 
         96     if (curr != nullptr) {
         97         ++curr;
         98     }
         99 
        100     return curr;
        101     // @@@ ignore end
        102 }
        103 }  // namespace
        104 // @@@ sample end
        105 // @@@ sample begin 2:0
        106 
        107 void free(void* mem) noexcept
        108 {
        109     header_t* mem_to_free = set_back(mem);
        110 
        111     mem_to_free->next = nullptr;
        112 
        113     auto lock = std::lock_guard{spin_lock};
        114 
        115     if (header == nullptr) {
        116         header = mem_to_free;
        117         return;
        118     }
        119     // @@@ sample end
        120     // @@@ sample begin 2:1
        121 
        122     if (mem_to_free < header) {
        123         concat(mem_to_free, header);
        124         header = mem_to_free;
        125         return;
        126     }
        127 
        128     auto curr = header;
        129     for (; curr->next != nullptr; curr = curr->next) {
        130         if (mem_to_free < curr->next) {  // 常に curr < mem_to_free
        131             concat(mem_to_free, curr->next);
        132             concat(curr, mem_to_free);
        133             return;
        134         }
        135     }
        136 
        137     concat(curr, mem_to_free);
        138     // @@@ sample end
        139     // @@@ sample begin 2:2
        140 }
        141 // @@@ sample end
        142 // @@@ sample begin 3:0
        143 
        144 void* malloc(size_t size) noexcept
        145 {
        146     void* mem = malloc_inner(size);
        147     // @@@ sample end
        148     // @@@ sample begin 3:1
        149 
        150     if (mem == nullptr) {
        151         auto const add_size = Roundup(unit_size, 1024 * 1024 + size);  // 1MB追加
        152 
        153         header_t* add = static_cast<header_t*>(sbrk(add_size));
        154         add->n_nuits  = add_size / unit_size;
        155         free(++add);
        156         mem = malloc_inner(size);
        157     }
        158     // @@@ sample end
        159     // @@@ sample begin 3:2
        160 
        161     return mem;
        162 }
        163 // @@@ sample end
        164 
        165 namespace {
        166 TEST(NewDelete_Opt, malloc)
        167 {
        168     {
        169         void* mem = malloc(1024);
        170 
        171         ASSERT_NE(nullptr, mem);
        172         free(mem);
        173 
        174         void* ints[8]{};
        175 
        176         constexpr auto n_nuits = Roundup(unit_size, unit_size + sizeof(int)) / unit_size;
        177 
        178         for (auto& i : ints) {
        179             i = malloc(sizeof(int));
        180 
        181             header_t* h = set_back(i);
        182             ASSERT_EQ(h->n_nuits, n_nuits);
        183         }
        184 
        185         for (auto& i : ints) {
        186             free(i);
        187         }
        188     }
        189 
        190     // @@@ sample begin 4:0
        191 
        192     void* mem[1024];
        193 
        194     for (auto& m : mem) {  // 32バイト x 1024個のメモリ確保
        195         m = malloc(32);
        196     }
        197 
        198     // memを使用した何らかの処理
        199     // @@@ ignore begin
        200     // @@@ ignore end
        201 
        202     for (auto i = 0U; i < ArrayLength(mem); i += 2) {  // 512個のメモリを解放
        203         free(mem[i]);
        204     }
        205     // @@@ sample end
        206 
        207     for (auto i = 1U; i < ArrayLength(mem); i += 2) {
        208         free(mem[i]);
        209     }
        210 }
        211 }  // namespace
        212 }  // namespace MallocFree

example/dynamic_memory_allocation/mpool_variable.h

          1 #pragma once
          2 #include <cassert>
          3 #include <cstdint>
          4 #include <mutex>
          5 #include <optional>
          6 
          7 #include "mpool.h"
          8 #include "spin_lock.h"
          9 #include "utils.h"
         10 
         11 namespace Inner_ {
         12 
         13 struct header_t {
         14     header_t* next;
         15     size_t    n_nuits;  // header_tが何個あるか
         16 };
         17 
         18 constexpr auto unit_size = sizeof(header_t);
         19 
         20 inline std::optional<header_t*> sprit(header_t* header, size_t n_nuits) noexcept
         21 {
         22     assert(n_nuits > 1);  // ヘッダとバッファなので最低でも2
         23 
         24     if (header->n_nuits == n_nuits || header->n_nuits == n_nuits + 1) {
         25         return header->next;
         26     }
         27     else if (header->n_nuits > n_nuits) {
         28         auto next       = header + n_nuits;
         29         next->n_nuits   = header->n_nuits - n_nuits;
         30         next->next      = header->next;
         31         header->n_nuits = n_nuits;
         32         return next;
         33     }
         34 
         35     return std::nullopt;
         36 }
         37 
         38 inline void concat(header_t* front, header_t* rear) noexcept
         39 {
         40     if (front + front->n_nuits == rear) {  // 1枚のメモリになる
         41         front->n_nuits += rear->n_nuits;
         42         front->next = rear->next;
         43     }
         44     else {
         45         front->next = rear;
         46     }
         47 }
         48 
         49 inline header_t* set_back(void* mem) noexcept { return static_cast<header_t*>(mem) - 1; }
         50 
         51 static_assert(sizeof(header_t) == alignof(std::max_align_t));
         52 
         53 template <uint32_t MEM_SIZE>
         54 struct buffer_t {
         55     alignas(alignof(std::max_align_t)) uint8_t buffer[Roundup(sizeof(header_t), MEM_SIZE)];
         56 };
         57 }  // namespace Inner_
         58 
         59 // @@@ sample begin 0:0
         60 
         61 template <uint32_t MEM_SIZE>
         62 class MPoolVariable final : public MPool {
         63 public:
         64     // @@@ sample end
         65     // @@@ sample begin 0:1
         66     MPoolVariable() noexcept : MPool{MEM_SIZE}
         67     {
         68         header_->next    = nullptr;
         69         header_->n_nuits = sizeof(buff_) / Inner_::unit_size;
         70     }
         71     // @@@ sample end
         72     // @@@ sample begin 0:2
         73 
         74     class const_iterator {
         75     public:
         76         explicit const_iterator(Inner_::header_t const* header) noexcept : header_{header} {}
         77         const_iterator(const_iterator const&) = default;
         78         const_iterator(const_iterator&&)      = default;
         79 
         80         const_iterator& operator++() noexcept  // 前置++のみ実装
         81         {
         82             assert(header_ != nullptr);
         83             header_ = header_->next;
         84 
         85             return *this;
         86         }
         87 
         88         Inner_::header_t const* operator*() noexcept { return header_; }
         89 
         90         // clang-format off
         91 
         92     #if __cplusplus <= 201703L  // c++17
         93         bool operator==(const_iterator const& rhs) noexcept { return header_ == rhs.header_; }
         94         bool operator!=(const_iterator const& rhs) noexcept { return !(*this == rhs); }
         95     #else  // c++20
         96 
         97         auto operator<=>(const const_iterator&) const = default;
         98     #endif
         99         // clang-format on
        100 
        101     private:
        102         Inner_::header_t const* header_;
        103     };
        104 
        105     const_iterator begin() const noexcept { return const_iterator{header_}; }
        106     const_iterator end() const noexcept { return const_iterator{nullptr}; }
        107     const_iterator cbegin() const noexcept { return const_iterator{header_}; }
        108     const_iterator cend() const noexcept { return const_iterator{nullptr}; }
        109     // @@@ sample end
        110     // @@@ sample begin 0:3
        111 
        112 private:
        113     using header_t = Inner_::header_t;
        114 
        115     Inner_::buffer_t<MEM_SIZE> buff_{};
        116     header_t*                  header_{reinterpret_cast<header_t*>(buff_.buffer)};
        117     mutable SpinLock           spin_lock_{};
        118     size_t                     unit_count_{sizeof(buff_) / Inner_::unit_size};
        119     size_t                     unit_count_min_{sizeof(buff_) / Inner_::unit_size};
        120 
        121     virtual void* alloc(size_t size) noexcept override
        122     {
        123         // @@@ ignore begin
        124         // size分のメモリとヘッダ
        125         auto n_nuits = (Roundup(Inner_::unit_size, size) / Inner_::unit_size) + 1;
        126 
        127         auto lock = std::lock_guard{spin_lock_};
        128 
        129         auto curr = header_;
        130 
        131         for (header_t* prev{nullptr}; curr != nullptr; prev = curr, curr = curr->next) {
        132             auto opt_next = std::optional<header_t*>{sprit(curr, n_nuits)};
        133 
        134             if (!opt_next) {
        135                 continue;
        136             }
        137 
        138             auto next = *opt_next;
        139             if (prev == nullptr) {
        140                 header_ = next;
        141             }
        142             else {
        143                 prev->next = next;
        144             }
        145             break;
        146         }
        147 
        148         if (curr != nullptr) {
        149             unit_count_ -= curr->n_nuits;
        150             unit_count_min_ = std::min(unit_count_, unit_count_min_);
        151             ++curr;
        152         }
        153 
        154         return curr;
        155         // @@@ ignore end
        156     }
        157 
        158     virtual void free(void* mem) noexcept override
        159     {
        160         // @@@ ignore begin
        161         header_t* to_free = Inner_::set_back(mem);
        162 
        163         to_free->next = nullptr;
        164 
        165         auto lock = std::lock_guard{spin_lock_};
        166 
        167         unit_count_ += to_free->n_nuits;
        168         unit_count_min_ = std::min(unit_count_, unit_count_min_);
        169 
        170         if (header_ == nullptr) {
        171             header_ = to_free;
        172             return;
        173         }
        174 
        175         if (to_free < header_) {
        176             concat(to_free, header_);
        177             header_ = to_free;
        178             return;
        179         }
        180 
        181         header_t* curr = header_;
        182 
        183         for (; curr->next != nullptr; curr = curr->next) {
        184             if (to_free < curr->next) {  // 常に curr < to_free
        185                 concat(to_free, curr->next);
        186                 concat(curr, to_free);
        187                 return;
        188             }
        189         }
        190 
        191         concat(curr, to_free);
        192         // @@@ ignore end
        193     }
        194 
        195     virtual size_t get_size() const noexcept override { return 1; }
        196     virtual size_t get_count() const noexcept override { return unit_count_ * Inner_::unit_size; }
        197     virtual size_t get_count_min() const noexcept override
        198     {
        199         return unit_count_min_ * Inner_::unit_size;
        200     }
        201 
        202     virtual bool is_valid(void const* mem) const noexcept override
        203     {
        204         return (&buff_ < mem) && (mem < &buff_.buffer[ArrayLength(buff_.buffer)]);
        205     }
        206     // @@@ sample end
        207     // @@@ sample begin 0:4
        208 };
        209 // @@@ sample end

etc

example/deps/CMakeLists.txt

          1 cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
          2 
          3 project(main_project)
          4 
          5 set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
          6 set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED True)
          7 
          8 # CMakeオプションを定義
          9 option(USE_SANITIZERS "Enable sanitizers" OFF)
         10 
         11 # USE_SANITIZERS オプションをチェック
         12 if(USE_SANITIZERS)
         13     message(STATUS "Sanitizers are enabled")
         14     set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -fsanitize=address,leak,undefined,float-divide-by-zero,float-cast-overflow")
         15     set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "${CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS} -fsanitize=address,leak,undefined,float-divide-by-zero,float-cast-overflow")
         16 else()
         17     message(STATUS "Sanitizers are disabled")
         18 endif()
         19 
         20 
         21 set(GTEST_DIR "../../googletest")
         22 set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
         23 
         24 include_directories("${GTEST_DIR}/googletest/include")
         25 
         26 # googletestサブディレクトリを追加
         27 add_subdirectory(${GTEST_DIR} ${CMAKE_BINARY_DIR}/googletest EXCLUDE_FROM_ALL)
         28 
         29 add_subdirectory(lib)
         30 add_subdirectory(logging)
         31 add_subdirectory(file_utils)
         32 add_subdirectory(dependency)
         33 add_subdirectory(app)
         34 
         35 # すべてのテストを実行するカスタムターゲットを追加
         36 add_custom_target(tests
         37     DEPENDS app_ut dependency_ut file_utils_ut lib_ut logging_ut deps_it
         38     WORKING_DIRECTORY ${CMAKE_BINARY_DIR}
         39 )
         40 

example/deps/dependency/CMakeLists.txt

          1 cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
          2 
          3 project(dependency VERSION 1.0)
          4 
          5 # C++の標準を設定
          6 set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
          7 set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
          8 
          9 # ライブラリのソースファイルを追加
         10 add_library(dependency STATIC
         11     src/arch_pkg.cpp
         12     src/cpp_deps.cpp
         13     src/cpp_dir.cpp
         14     src/cpp_src.cpp
         15     src/deps_scenario.cpp
         16     src/load_store_format.cpp
         17 )
         18 
         19 # @@@ sample begin 0:0
         20 
         21 # dependency.aをリンクするファイルに
         22 # ../dependency/h ../file_utils/h ../lib/h
         23 # のヘッダファイルを公開する
         24 
         25 target_include_directories(dependency PUBLIC ../dependency/h ../file_utils/h ../lib/h)
         26 # @@@ sample end
         27 
         28 # テスト用のソースファイルを追加して単一の実行ファイルを生成
         29 add_executable(dependency_ut_exe
         30     ut/arch_pkg_ut.cpp
         31     ut/cpp_deps_ut.cpp
         32     ut/cpp_dir_ut.cpp
         33     ut/cpp_src_ut.cpp
         34     ut/deps_scenario_ut.cpp
         35     ut/load_store_format_ut.cpp
         36 )
         37 
         38 # @@@ sample begin 1:0
         39 
         40 # dependency_ut_exeはdependency.aの単体テスト
         41 # dependency_ut_exeが使用するライブラリのヘッダは下記の記述で公開される
         42 target_link_libraries(dependency_ut_exe dependency file_utils logging gtest gtest_main)
         43 
         44 # dependency_ut_exeに上記では公開範囲が不十分である場合、
         45 # dependency_ut_exeが使用するライブラリのヘッダは下記の記述で限定的に公開される
         46 # dependency_ut_exeにはdependency/src/*.hへのアクセスが必要
         47 target_include_directories(dependency_ut_exe PRIVATE ../../../deep/h src)
         48 # @@@ sample end
         49 
         50 # テストを追加
         51 enable_testing()
         52 add_test(NAME dependency_ut COMMAND dependency_ut_exe)
         53 
         54 add_custom_target(dependency_ut_copy_test_data
         55     COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory 
         56     ${CMAKE_SOURCE_DIR}/ut_data $<TARGET_FILE_DIR:dependency_ut_exe>/ut_data
         57 )
         58 
         59 # カスタムターゲットを追加して、ビルド後にテストを実行
         60 add_custom_target(dependency_ut
         61     COMMAND ${CMAKE_CTEST_COMMAND} --output-on-failure
         62     DEPENDS dependency_ut_exe dependency_ut_copy_test_data
         63 )
         64 

example/deps/file_utils/CMakeLists.txt

          1 cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
          2 
          3 project(file_utils VERSION 1.0)
          4 
          5 # C++の標準を設定
          6 set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
          7 set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
          8 
          9 add_library(file_utils STATIC
         10     src/load_store_row.cpp
         11     src/path_utils.cpp
         12 )
         13 
         14 target_include_directories(file_utils PUBLIC ../file_utils/h)
         15 
         16 add_executable(file_utils_ut_exe ut/load_store_row_ut.cpp ut/path_utils_ut.cpp)
         17 
         18 target_link_libraries(file_utils_ut_exe file_utils logging gtest gtest_main)
         19 
         20 target_include_directories(file_utils_ut_exe PRIVATE h ../../../deep/h ../logging/h ../lib/h)
         21 
         22 add_custom_command(TARGET file_utils_ut_exe POST_BUILD
         23     COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory
         24     ${CMAKE_SOURCE_DIR}/ut_data $<TARGET_FILE_DIR:file_utils_ut_exe>/ut_data
         25 )
         26 
         27 enable_testing()
         28 add_test(NAME file_utils_ut COMMAND file_utils_ut_exe)
         29 
         30 add_custom_target(file_utils_ut_copy_test_data
         31     COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E copy_directory 
         32     ${CMAKE_SOURCE_DIR}/ut_data $<TARGET_FILE_DIR:file_utils_ut_exe>/ut_data
         33 )
         34 
         35 # カスタムターゲットを追加して、ビルド後にテストを実行
         36 add_custom_target(file_utils_ut
         37     COMMAND ${CMAKE_CTEST_COMMAND} --output-on-failure
         38     DEPENDS file_utils_ut_exe file_utils_ut_copy_test_data
         39 )
         40 

example/deps/lib/CMakeLists.txt

          1 cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
          2 
          3 project(lib VERSION 1.0)
          4 
          5 # C++の標準を設定
          6 set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
          7 set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED True)
          8 set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
          9 
         10 add_executable(lib_ut_exe ut/nstd_ut.cpp)
         11 
         12 if(NOT TARGET gtest)
         13     message(FATAL_ERROR "gtest target not found. Make sure googletest is added at the top level CMakeLists.txt")
         14 endif()
         15 
         16 target_include_directories(lib_ut_exe PRIVATE h ../../h/ ../../../deep/h)
         17 target_link_libraries(lib_ut_exe gtest gtest_main)
         18 
         19 enable_testing()
         20 add_test(NAME lib_ut COMMAND lib_ut_exe)
         21 
         22 add_custom_target(lib_ut
         23     COMMAND ${CMAKE_CTEST_COMMAND} --output-on-failure
         24     DEPENDS lib_ut_exe
         25 )
         26 

example/deps/logging/CMakeLists.txt

          1 #logging/CMakeLists.txt
          2 
          3 cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
          4 
          5 project(logging VERSION 1.0)
          6 
          7 # C++の標準を設定
          8 set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
          9 set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED True)
         10 set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
         11 
         12 add_library(logging STATIC src/logger.cpp)
         13 
         14 target_include_directories(logging PUBLIC h ../lib/h)
         15 
         16 add_executable(logging_ut_exe ut/logger_ut.cpp)
         17 
         18 target_include_directories(logging_ut_exe PRIVATE ../../../deep/h ../lib/h)
         19 target_link_libraries(logging_ut_exe logging gtest gtest_main)
         20 
         21 enable_testing()
         22 add_test(NAME logging_ut COMMAND logging_ut_exe)
         23 
         24 add_custom_target(logging_ut
         25     COMMAND ${CMAKE_CTEST_COMMAND} --output-on-failure
         26     DEPENDS logging_ut_exe
         27 )
         28